一種熱電偶測(cè)量?jī)x表的校準(zhǔn)方法

孔繁軍，戴晶，潘婧

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所，湖北武漢 430064）

0 引言

熱電偶具有測(cè)量溫度范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及價(jià)格相對(duì)便宜等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)和熱電偶的型號(hào)相關(guān)，并且會(huì)受到基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)溫度的影響，因此在測(cè)量過(guò)程中需要加入補(bǔ)償電路。目前熱電偶測(cè)量?jī)x表的校準(zhǔn)方法主要有2種，一種是將熱電偶放在恒溫標(biāo)準(zhǔn)熱源環(huán)境中進(jìn)行標(biāo)定［1］;另一種是用毫伏電壓發(fā)生器產(chǎn)生高精度毫伏電壓進(jìn)行標(biāo)定［2］。采用第1種方法操作簡(jiǎn)單，但標(biāo)準(zhǔn)熱源實(shí)現(xiàn)困難，在校準(zhǔn)過(guò)程中需要長(zhǎng)時(shí)間地等待溫度穩(wěn)定。采用第2種方法精度較高，但需要通過(guò)查表或計(jì)算將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動(dòng)勢(shì)。

本文利用上位機(jī)軟件Labview的數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)勢(shì)，將高速計(jì)算和高精度電壓產(chǎn)生的板卡相結(jié)合，在只需少量硬件電路的情況下，快速產(chǎn)生出各種熱電偶在不同測(cè)量溫度和不同基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境溫度所對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)。如果擴(kuò)充板卡輸出通道，則可支持多路獨(dú)立輸出，可以同時(shí)對(duì)多路不同的熱電偶測(cè)量?jī)x表進(jìn)行校準(zhǔn)，提高熱電偶儀表的校準(zhǔn)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本方法需要使用的硬件系統(tǒng)主要由上位機(jī)、模擬輸出板卡（具有16位的D/A轉(zhuǎn)化能力）和模擬運(yùn)算電路3部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。上位機(jī)將根據(jù)輸入?yún)?shù)（熱電偶種類、被測(cè)溫度和環(huán)境溫度）計(jì)算出16位D/A編碼，同時(shí)將計(jì)算出的16位D/A編碼送出，通過(guò)總線發(fā)送到板卡進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換得到0～5V電壓輸出，然后模擬運(yùn)算電路將此電壓轉(zhuǎn)化為與熱電偶測(cè)量?jī)x表工作范圍和熱電偶類型相對(duì)應(yīng)的毫伏電壓輸出。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1System diagram

1.2 上位機(jī)軟件算法設(shè)計(jì)與系統(tǒng)誤差分析

熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)和溫差之間的關(guān)系不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，以K型熱電偶為例，在0～600℃的溫度范圍內(nèi)，大概有－1%的非線性誤差，相當(dāng)于存在6℃的誤差，所以必須對(duì)其非線性誤差進(jìn)行修正［3］。首先將不同類型的熱電偶分度表擬合出函數(shù)關(guān)系即擬合函數(shù)，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)這個(gè)擬合函數(shù)計(jì)算出在設(shè)定的被測(cè)溫度和基準(zhǔn)接點(diǎn)溫度時(shí)熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)的大小，最后將數(shù)據(jù)送到板卡經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的毫伏電壓。其中所使用的擬合函數(shù)參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 230［4］。

本文所設(shè)計(jì)的熱電偶信號(hào)發(fā)生器能設(shè)定的被測(cè)溫度范圍為0～500℃，環(huán)境溫度范圍為0～70℃，適用于K型和J型2種熱電偶信號(hào)的產(chǎn)生。由于D/A轉(zhuǎn)換電壓的非連續(xù)性，在電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中必定會(huì)存在量化誤差。下面以16位的D/A用于K型熱電偶信號(hào)產(chǎn)生為例，分析量化誤差的大小。

通過(guò)查分度表可知，70℃和500℃所對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)分別為2.851 mV和20.644 mV。在70℃的環(huán)境溫度下，0℃的被測(cè)溫度所對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為－2.851 mV，在0℃的環(huán)境溫度下，350℃的被測(cè)溫度所對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為20.644 mV。按照要求，所有的應(yīng)用情況產(chǎn)生的電壓都應(yīng)在－2.851～20.644 mV的范圍內(nèi)，而J型熱電偶產(chǎn)生的電壓范圍為－3.650～27.393 mV。為了能同時(shí)滿足2種熱電偶信號(hào)產(chǎn)生的要求，設(shè)定D/A產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)模擬衰減和調(diào)整后的輸出范圍為－4～30 mV。理想的DAC編碼為

又由于DAC的輸入為整數(shù)，所以要將計(jì)算得到的DAC編碼經(jīng)過(guò)就近取整后轉(zhuǎn)化為整數(shù)，假設(shè)就近取整函數(shù)為

DAC的12位編碼與輸出電壓的關(guān)系式為

根據(jù)ASTM E 230［4］，得到K型熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)和溫度的關(guān)系，即

設(shè)定溫度經(jīng)過(guò)f1（t）和f2（t）運(yùn)算并通過(guò)就近取整運(yùn)算后得到12位DAC編碼

電路實(shí)際輸出電壓為

而理想的輸出電壓為

實(shí)際輸出電壓Vo在理想輸出電壓V上下波動(dòng)，利用誤差公式

以及ASTM E 230［4］中的K型熱電偶的溫度電壓轉(zhuǎn)換公式

得到由于量化誤差帶來(lái)的溫度誤差為

通過(guò)計(jì)算得到，溫度絕對(duì)誤差最大值ΔTmax（K） =0.004 7℃，溫度絕對(duì)誤差最小值ΔTmin（K）=－0.004 7℃，即溫度絕對(duì)誤差小于±0.004 7℃。

按照上述方法，如果將16位A/D應(yīng)用于J型熱電偶信號(hào)的產(chǎn)生，設(shè)定被測(cè)溫度范圍為0～500℃，環(huán)境溫度范圍為0～70℃時(shí)，通過(guò)計(jì)算可得，ΔTmax（J）=0.005 0，ΔTmin（J）=－0.005 0，即溫度絕對(duì)誤差小于±0.005 0℃。

1.3 模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)

模擬運(yùn)算電路的主要任務(wù)是將從DA輸出的0～5 V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)。由于K型熱電偶對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)為－2.851～20.644 3 mV，而J型熱點(diǎn)偶對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)為－3.650～27.393 mV，為了使同1個(gè)模擬電路產(chǎn)生2種不同的熱電偶信號(hào)，將最終輸出電動(dòng)勢(shì)的范圍設(shè)定為－4～30 mV，因此模擬運(yùn)算電路需要提供的放大倍數(shù)為0.006 8倍，然后再提供－4 mV的偏置，即可得到所需要的熱電動(dòng)勢(shì)。

本文選用了1種單級(jí)放大電路［5］，可以實(shí)現(xiàn)0.006 8的增益和－4 mV的偏置，同時(shí)提供增益和偏置的微調(diào)，并且在調(diào)整偏置的過(guò)程中，對(duì)增益的影響控制在0.001%以下。電路如圖4所示。

圖2 模擬運(yùn)算電路Fig.2Analog calculation circuit

電路的總增益為電阻衰減網(wǎng)絡(luò)的放大倍數(shù)和后級(jí)同向放大電路的放大倍數(shù)的乘積。

選取合適的阻值并計(jì)算得Amin=0.006 0，Amax= 0.007 8，通過(guò)調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)0.006 8倍的增益。ΔVmax=－4.9 mV，通過(guò)調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)－4 mV的增益調(diào)整。同時(shí)增益對(duì)輸出增益產(chǎn)生的最大誤差為ΔAmax=9.79×10－6，表示偏置的調(diào)整對(duì)增益的影響很微小，符合設(shè)計(jì)要求。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

2.1 測(cè)試方法

在進(jìn)行0點(diǎn)和增益校準(zhǔn)之后，選擇其中的一路進(jìn)行測(cè)試。設(shè)定環(huán)境溫度為0℃，選擇熱電偶為J型，將測(cè)量溫度分別設(shè)定為0～500℃，間隔20℃。使用六位半萬(wàn)用表HP34401A對(duì)輸出進(jìn)行測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)量數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)記錄Tab．1Test data record

2.3 數(shù)據(jù)分析

使用公式ΔV=Vo－V，計(jì)算輸出電壓絕對(duì)誤差，使用公式。計(jì)算溫度絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。實(shí)際的最大絕對(duì)溫度誤差為±0.033℃。相對(duì)誤差在0點(diǎn)附近比較大，約0.098%，隨著輸出電壓的升高而減小，相對(duì)誤差最終達(dá)到0.012%左右。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)能在允許的誤差范圍內(nèi)輸出與K型和J型熱電偶溫差相對(duì)應(yīng)的溫差電動(dòng)勢(shì)，操作簡(jiǎn)便，輸出電壓做到實(shí)時(shí)更新，能很方便地用于熱電偶測(cè)量?jī)x表的校準(zhǔn)。通過(guò)改變模擬運(yùn)算電路的偏置電壓和增益可以使本電路應(yīng)用于不同的熱電偶和不同的溫度范圍，并且可以通過(guò)選用支持更高位數(shù)D/A轉(zhuǎn)換的板卡來(lái)達(dá)到更高的精度。同時(shí)，環(huán)境溫度的改變會(huì)使0點(diǎn)和增益產(chǎn)生漂移，因此，本電路在使用前需要校準(zhǔn)，并且要保證環(huán)境溫度在使用過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定。

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