基于熱電偶的測溫儀表冷端補(bǔ)償方法

黃 毅，周漢義，陶慶棟，李 云

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料工程系，安徽 合肥 230009)

熱電偶是一種常用的溫度傳感器，是利用熱電效應(yīng)，并根據(jù)冷熱端溫度差產(chǎn)生的熱電動勢測量溫度，且具有測量精度高、構(gòu)造簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在測溫儀表中得到了廣泛應(yīng)用。通用的冷端補(bǔ)償方法由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪聲大，線性度差會對測量結(jié)果造成較大的影響。

1 通用熱電偶冷端補(bǔ)償方法

1.1 電橋補(bǔ)償法的原理

如圖1 所示，其中R1，R2，R3的阻值相等，用溫度系數(shù)近似為零的錳銅制造，即其阻值不隨溫度的變化而變化，而Rt用熱電阻PT1000，其與熱電偶冷端處于同一溫度場中，其阻值隨溫度變化而變化，溫度升高，阻值增加當(dāng)冷端溫度為零時(shí)Rt=R3=R2=R1，可使得電橋的輸出為零，若冷端溫度升高，會使得熱電偶的熱電勢減小而帶來測量誤差，但此時(shí)PT1000 的阻值也會隨溫度升高而增加，則補(bǔ)償電橋失去平衡，輸出值不為零，電橋輸出量的變化值與熱電偶熱電勢變化量相等，且二者變化方向相反，則二者相互抵消使總輸出量的大小不隨冷端溫度的變化而變化［1］。

圖1 電橋補(bǔ)償法示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)過程中用毫伏電壓發(fā)生器模擬K 型熱電偶熱電勢，在電路板上完成A/D 轉(zhuǎn)換后，通過MCU 上傳上位機(jī)，由上位機(jī)將A/D 值換算為溫度并顯示［2］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 電橋法數(shù)據(jù)記錄

這種方法對R1，R2，R3的精度要求很高，且V+的噪聲，溫漂要小，穩(wěn)定性要高，為達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求需要使電橋電流為一個(gè)合適值，調(diào)試難度高。在進(jìn)行多路測量時(shí)，需要布置多路裝置，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜［3］。

2 熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)男路椒?/h2>

2.1 原理

該方法由PT1000 測量冷端溫度，通過A/D 轉(zhuǎn)換后，由MCU 傳給上位機(jī)將電阻值通過軟件換算成電壓值加到熱電偶的電壓上再通過補(bǔ)償塊消除冷端溫度變化帶來的影響，從而進(jìn)行補(bǔ)償［4］。

2.2 補(bǔ)償塊的設(shè)計(jì)

此方法進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)闹饕b置是一塊導(dǎo)熱性能良好的鋁塊，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 補(bǔ)償塊示意圖

在長方體鋁塊的橫向中軸線上依次等距打出3 個(gè)通孔，并沿橫向中軸線切開。在之后的接線過程中將兩根補(bǔ)償導(dǎo)線壓如左右兩個(gè)通孔，中間的通孔壓入熱電阻PT1000。在壓入過程中為保證熱傳導(dǎo)的均勻性，熱電阻和補(bǔ)償導(dǎo)線的直徑要一致且與補(bǔ)償塊充分接觸，絕緣材料要相同。

2.3 補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

如圖3 所示，熱電偶通過補(bǔ)償導(dǎo)線接到儀表箱內(nèi)的補(bǔ)償塊之后再通過Cu 導(dǎo)線連接箱內(nèi)電路板。補(bǔ)償塊與熱電偶冷端處于儀表箱內(nèi)。PT1000 用于測量儀表箱內(nèi)溫度To，Tc是儀表箱外的環(huán)境溫度［5］。

圖3 補(bǔ)償塊法示意圖

由于程序設(shè)計(jì)要求，在未接補(bǔ)償電路時(shí)上位機(jī)顯示溫度T1為A 處的實(shí)際溫度Tr加上箱內(nèi)的溫度Tb，即T1=Tr+Tb。儀表在實(shí)際使用當(dāng)中溫度箱內(nèi)溫度會產(chǎn)生變化要避免箱內(nèi)溫度的變化對實(shí)際測量溫度的影響，設(shè)計(jì)接入補(bǔ)償電路［6］。

當(dāng)儀表箱內(nèi)溫度升高，會使上位機(jī)顯示溫度T1隨箱內(nèi)溫度升高，在加入補(bǔ)償電路后，補(bǔ)償塊在箱內(nèi)受熱均勻，補(bǔ)償導(dǎo)線兩端與PT1000 處于同一溫度場中，補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)生的電壓可以抵消掉冷端溫度變化帶來的影響，保證了測量值不受箱內(nèi)溫度變化的影響，只與箱外環(huán)境溫度Tc有關(guān)，即。

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)過程與電橋法實(shí)驗(yàn)過程類似，用毫伏電壓發(fā)生器模擬K 型熱電偶熱電勢，在電路板上完成A/D 轉(zhuǎn)換后，通過MCU 上傳上位機(jī)，由上位機(jī)將A/D 值換算為溫度并顯示［8］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 補(bǔ)償塊法數(shù)據(jù)記錄

從上表可看出，該補(bǔ)償方法具有較高的準(zhǔn)確度，誤差在1 ℃以內(nèi)且線性度好，在進(jìn)行多路測量時(shí)只需在補(bǔ)償塊上多加幾組通孔即可，結(jié)構(gòu)簡單可滿足工業(yè)應(yīng)用需求。

3 補(bǔ)償塊法與電橋法的數(shù)據(jù)對比分析

根據(jù)表1 和表2 中的數(shù)據(jù)，文中以輸入電壓為橫坐標(biāo)，誤差值為縱坐標(biāo)分別做出兩種方法在不同溫度下的誤差曲線，如圖4 和圖5 所示。

圖4 補(bǔ)償塊法誤差曲線

圖5 中曲線可看出，電橋法的線性度較差，由于熱電偶的輸入輸出特性和補(bǔ)償電橋的輸出特性均是非線性特性且不重合，故在補(bǔ)償范圍內(nèi)只有在兩條曲線相交點(diǎn)對應(yīng)的冷端溫度下能完全補(bǔ)償即無補(bǔ)償誤差，其他冷端溫度下只能部分補(bǔ)償，存在補(bǔ)償誤差。在實(shí)際使用當(dāng)中需要使用更復(fù)雜的電路來減少由于非線性所產(chǎn)生的誤差［9］。

圖5 電橋法誤差曲線

從圖4 補(bǔ)償塊法的4 條曲線可看出，其最大誤差不超過1 ℃且線性較好，能更準(zhǔn)確地達(dá)到測量要求［10］。

4 結(jié)束語

本文所述基于熱電偶的測溫儀表冷端補(bǔ)償方法電路簡單、穩(wěn)定、噪聲小，且線性度好。其在進(jìn)行多路測量時(shí)只需在補(bǔ)償塊上多打幾個(gè)通孔將補(bǔ)償導(dǎo)線壓入其中即可，在控制成本的前提下保證了測量的精度，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。

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