熱電偶測溫采集精度的影響因素及優(yōu)化方法

（中冶長天國際工程有限責任公司 國家燒結(jié)球團裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，長沙 410007）

在鋼鐵冶金領(lǐng)域，溫度是非常重要的參數(shù)，熱電偶具有準確度高、響應時間快、測溫范圍廣、成本低廉和使用壽命長等優(yōu)點，因而成為鋼鐵冶金領(lǐng)域溫度檢測元件的首選。熱電偶的測溫精度對工業(yè)生產(chǎn)過程控制有著至關(guān)重要的意義，影響熱電偶測溫精度有多方面的因素，除了熱電偶材質(zhì)的影響、安裝位置是否合適、安裝方法是否合理、熱電偶補償導線的材質(zhì)等之外，還主要包括二次采集元件端（例如熱電偶二次儀表、PLC熱電偶模塊等）的因素，如熱電偶信號采集電路、信號非線性化處理技術(shù)及合適的冷端補償方法等。本文著重從以上3個因素分析熱電偶信號采集精度，并提出合理的優(yōu)化方法。

1 熱電偶的基本工作原理

把2根不同材質(zhì)的導體或半導體（A和B）焊接起來組成一個閉合回路，該閉合回路叫熱電回路。當兩接合點處于不同溫度T1和T0時，回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端），冷端與測量儀表連接。當熱端與冷端有溫差時，測量儀表便能測出被測介質(zhì)的溫度[1-2]。熱電偶的熱電勢隨溫度的升高而增大，其熱電勢的大小與熱電偶的材質(zhì)、熱電偶兩端的溫度有關(guān)，而與熱電極的長度、直徑無關(guān)。熱電偶工作原理如圖1所示。

圖1 熱電偶工作原理Fig.1 Working principle graph of thermocouples

2 熱電偶信號采集精度分析

2.1 熱電偶信號采集電路分析

熱電偶信號是變化緩慢的微弱微伏級信號，信號在傳輸過程中，容易受到外界的電磁干擾，因此熱電偶測溫儀表采集熱電偶信號時，其信號前端需要增加信號調(diào)理電路，提高電磁抗干擾能力，并且信號采集需選用高精度、高可靠的AD轉(zhuǎn)換器，同時AD轉(zhuǎn)換器的基準電壓源要求選用高精度、低漂移的基準電壓源，并且熱電偶信號更需要采用差分信號輸入來消除熱電偶線路上的大部分共模噪聲，通過以上合適的電路優(yōu)化設計才能保證熱電偶信號采集精度的要求。

2.2 熱電偶信號采集電路的優(yōu)化方法

熱電偶信號采集優(yōu)化方案從以下3個方面考慮：

信號調(diào)理電路信號前端設計差分低通濾波器和共模濾波器，濾波器可以采用電阻和電容等無源器件構(gòu)成，濾波器的截止頻率決定了阻容值的大小，也可以考慮采用有源濾波器，采用低失調(diào)、低溫漂的運算放大器構(gòu)成有源濾波器，并且運算放大器輸入阻抗高，輸出阻抗低，可以提供良好的隔離性能，并可提供所需增益。

AD轉(zhuǎn)換器選型AD轉(zhuǎn)換器宜選用高分辨率、低噪聲、高共模抑制比、帶差分輸入通道、內(nèi)置可編程增益的AD轉(zhuǎn)換器。分辨率越高，采集精度越高，但是器件成本會增加，采集系統(tǒng)應該根據(jù)信號波動的最小值來選擇合適的分辨率。例如熱電偶S分度，其變化1℃最小值是5 μV，則最低有效位LSB必須低于5 μV。

AD轉(zhuǎn)換器的基準電壓源AD轉(zhuǎn)換器的基準電壓源可以選擇內(nèi)置或者外部單獨接1個基準電壓源，基準電壓源要求低溫漂、高精度、低噪聲。內(nèi)置基準電壓源精度一般，若想更高精度的基準電壓源，則要求選擇外置的電壓源。

以AD7793精確測量熱電偶信號來舉例說明。AD7793適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置1個低噪聲、帶有3個差分模擬輸入的16位∑-Δ型ADC，它集成了片內(nèi)低噪聲儀用放大器，并且增益可設置。

AD7793測量熱電偶信號電路如圖 2所示。AD7793的差分輸入用于消除熱電偶線路上的大部分共模噪聲，組成差分低通濾波器的R1，R2，C2放置在AD7793的前端，可以消除熱電偶引腳上可能存在的拾取噪聲。R1，R2，C1和C3電容組成共模濾波器，可以提供額外的共模濾波?；鶞孰妷涸催x用ADI公司的AD3425，AD3425是低成本、低功耗、高精度基準電壓源，具有±0.1%的初始精度。

圖2 AD7793熱電偶信號采集電路Fig.2 Signal acquisition diagram of thermocouples by AD7793

當AD7793配置為單極性工作模式時，模擬輸入電壓信號計算公示為

式中：AIN為模擬輸入電壓；GAIN為儀表放大器增益；N為ADC的轉(zhuǎn)換位數(shù)；VREF為基準電壓源。

顯然，基準電壓有漂移會影響到熱電偶信號的采集電壓值。轉(zhuǎn)換位數(shù)越大，最低有效位LSB越小，采集精度就越高，以基準電壓 2500 mV為準，AD7793最低有效位LSB為38.147 μV，若AD轉(zhuǎn)換器更換為 24位的 AD7792，最低有效位 LSB為0.149 μV，精度提高了256倍。

3 熱電偶信號的非線性處理

3.1 熱電偶信號的非線性處理

測溫儀表采集的熱電偶的熱電勢必須經(jīng)過冷端補償修正，才能得到參考溫度0℃情況下熱電偶的熱電勢，修正公式為

式中：E（T，0℃）為被測介質(zhì)在參考溫度0℃時實際溫度T℃對應的熱電勢，mV；E（T，t0）為在恒溫t0下測得的熱電勢，mV；E（t0，0℃）為在參考溫度0℃時恒溫t0時熱電偶的熱電勢，mV。

經(jīng)過修正后的實際熱電勢，根據(jù)熱電偶分度表，可以查出對應的被測介質(zhì)的實際溫度[3]。查表法適用于易于存儲大量數(shù)據(jù)單元、計算速度快的計算機系統(tǒng)，但難以適用于數(shù)據(jù)存儲空間有限且CPU運算速度較慢的測溫儀表等嵌入式系統(tǒng)，若嵌入式系統(tǒng)采用查表法，會占用較大的存儲空間，并且查表時間比較長，滿足不了測溫實時性的要求。

由于熱電偶的熱電勢與溫度信號呈現(xiàn)出較高的非線性關(guān)系，不能用線性函數(shù)表示兩者的關(guān)系，如果不作線性化處理，直接根據(jù)熱電勢查找熱電偶分度表，查找工作量巨大，不適合嵌入式熱電偶采集系統(tǒng)，因此需要對熱電偶的熱電勢和溫度信號作線性化處理，減少運算工作量[3]。

從熱電偶信號的非線性特點出發(fā)，熱電偶溫度信號的線性化采用分段近似斜率法，該方法適合于嵌入式系統(tǒng)，并且精度高、運算量少、不占用較大存儲空間。

3.2 非線性處理的優(yōu)化方法

熱電偶信號的非線性處理采用分段近似斜率法。分段近似斜率法是將熱電偶在某一區(qū)間內(nèi)的溫度差與此區(qū)間內(nèi)電勢差所對應的線性轉(zhuǎn)換值作為該區(qū)間的校正斜率，再加上該區(qū)間的初值，得到非線性校正公式為

式中線性轉(zhuǎn)換值為經(jīng)過冷端補償后的熱電偶的熱電勢，如式（2）中的E（T，0℃）值。

為了提高熱電偶測溫精度，分段區(qū)間做的越多，熱電偶計算值與實際值誤差越小、精度越高，但是分段區(qū)間多會增加計算運行時間，具體分段數(shù)目需根據(jù)熱電偶采集精度的實際需要以及CPU的主頻速度來決定。

以K分度熱電偶為例，假設把熱電偶0℃～1372℃分為17段，每一段有起始溫度值、起始溫度值對應的電勢、終點溫度對應的電勢，以及該段的斜率[4]。具體分段如表1所示。

表1 K分度熱電偶分段表Tab.1 Subsection table of K index thermocouples

計算公式為

式中：Tabs為熱電偶的熱端絕對溫度，℃；Eabs為參考溫度0℃時熱電偶的熱端絕對熱電勢，μV；EAi為參考溫0℃度時該區(qū)間段的起始熱電勢，μV；Ki為該區(qū)間段的斜率，μV/℃；Tqi為該區(qū)間段的起始溫度，℃。

假設采用式（2）實現(xiàn)冷端補償后的K分度熱電偶的熱電勢為41859 μV，顯然該值落在第12分段區(qū)間，其初始溫度值為950℃，斜率39 μV/℃，該區(qū)間段的起始熱電勢為39314 μV，根據(jù)式（4）可得實際溫度值為Tabs=（41859-39314）/39+950=1015.3℃。

查表可得，41859 μV對應的溫度值為1015℃。查表值與分段斜率計算值相差0.3℃，達到了非線性化的目的。顯然分段近似斜率法可以通過軟件編程實現(xiàn)，易于在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)。

4 熱電偶的冷端補償

4.1 熱電偶的冷端補償分析

根據(jù)式（2）可知，熱電偶必須經(jīng)過冷端溫度補償才能獲得被測介質(zhì)實際溫度對應的熱電勢，根據(jù)此熱電勢才能計算出真實的溫度值。顯然，冷端溫度的精度會影響到熱電偶的測量精度，若冷端溫度測量誤差較大，會造成熱電偶的測量溫度值誤差較大。冷端溫度補償目前常用的方法有3種。

（1）直接測量冷端溫度法

冷端溫度值直接采用溫度傳感器測量，測溫儀表一般采用熱電阻測量冷端溫度，然后利用式（2）獲得最終的實際溫度對應的熱電勢，最后利用線性化處理方法，獲得實際溫度值。

（2）電橋補償法

電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度不在0℃時引起的熱電勢變化值。使用補償電橋時，應注意以下幾點：①不同分度號的熱電偶要配用與熱電偶同型號的補償電橋；②補償電橋與熱電偶、電源和測量儀表連接時，要接線正確，特別是電源正、負極不可反接；③不平衡電橋的輸出電壓隨直流電源的電壓而變，因此直流電源的電壓要恒定不變[5]。

（3）集成冷端補償?shù)男酒?/p>

集成冷端補償?shù)男酒饕ň軣犭娕挤糯笃骱蜔犭娕糀D轉(zhuǎn)換器。

例如AD8495是一款集成冷端補償?shù)木軣犭娕挤糯笃?，?nèi)部帶有固定增益放大器，以提供5 mV/℃輸出，該放大器具有高共模抑制性能，能夠抑制熱電偶的長引線可能拾取的共模噪聲。針對K型熱電偶作了預校準，只適合于K型熱電偶測量。

MAX31855是一款集成冷端補償?shù)腁D轉(zhuǎn)換器，器件輸出14位帶符號數(shù)據(jù)，SPI接口，轉(zhuǎn)換器的溫度分辨率為0.25℃，具有熱電偶開路檢測功能，以及熱電偶對GND或VCC短路檢測功能。每款芯片只針對某一類型的熱電偶測量，其靈活性不夠。

4.2 熱電偶的冷端補償優(yōu)化方法

冷端補償采用電橋補償法實現(xiàn)，其靈活性不夠，不同熱電偶需要配與熱電偶同型號的電橋，并且不平衡電橋的輸出電壓隨直流電源的電壓而變，因此直流電源的電壓要恒定不變，對直流電源的精度要求比較高，基于以上缺點，目前電橋補償法很少使用。

集成冷端補償?shù)臒犭娕疾杉酒膬?yōu)點是集成冷端補償，芯片體積小，具有熱電偶開短路檢測功能，但是其轉(zhuǎn)換精度由芯片本身決定，只針對某一類型熱電偶作了冷端補償預校準，系統(tǒng)不能通過軟件來修改熱電偶采集類型。

采用溫度傳感器采集冷端溫度作冷端補償，溫度傳感器可以選擇高精度、高可靠、低溫漂的傳感器，采集到的冷端溫度再轉(zhuǎn)換成某一類型熱電偶在該冷端溫度下的熱電勢，系統(tǒng)利用式（2）實現(xiàn)了冷端補償，并且系統(tǒng)可以通過程序設置測溫儀表采集某一類型的熱電偶，因此，該種方法靈活性好、精度高，可以用于多種類型熱電偶信號采集。

5 結(jié)語

綜上所述，熱電偶信號二次元件端采集精度主要取決于3個方面的因素，包括熱電偶信號采集電路，熱電偶信號的線性化以及熱電偶的冷端補償。任何一個因素處理不當都會影響到熱電偶信號采集的精度，本文通過以上3個方面給出的優(yōu)化方法，可以極大地提高熱電偶信號二次元件端的采集精度，從而提高熱電偶的測溫精度。隨著集成電路的高速發(fā)展，集成冷端補償、高共模抑制能力、高精度、抗干擾能力強、可配置為多種類型熱電偶測量的AD轉(zhuǎn)換器以后會越來越得到廣泛的應用。

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