一類高精度溫度測量技術研究
發布時間：2017-11-22
引言
一般的測溫儀表大多存在這樣的問題：測量精度高的測溫范圍窄;測溫范圍寬的精度又不高，因此這些測溫儀不論是測試精度、還是測溫范圍都不能滿足某些特定溫度測試要求。在大范圍溫度測量中，目前廣泛采用的是各類熱電偶，配合二次儀表。但所有熱電偶測溫都無一例外地遇到2個問題：熱電偶輸出非線性和參考結合點補償問題。熱電偶非線性補償主要有2種方法：硬件法和軟件法。硬件補償法的缺點是適應性差。隨著微處理器的大量使用，近年來國際上流行用軟件補償熱電偶的非線性，這種方法電路設計簡單，補償精度好，因而應用日益廣泛。在軟件補償法中，又有查表法、多項式法、分段線性化法等。參考結合點補償：過去采用恒溫槽法，但在使用時很不方便。現在使用較普遍的是熱敏三極管或熱敏電阻的物理補償法。這種方法也因補償器件的特性不同而導致結果的差異。本文介紹的測試方法采用S型熱電偶，并配合二次儀表構成一臺高精度、大范圍的測溫儀表。參考點溫度采用AD590集成溫度傳感器測量，并對測量結果進行數字計算，完成純數字化補償;對熱電偶的非線性特性則采用分段線性化方法進行修正，此方法靈活方便，能達到很好的精度，完全可以滿足特定的溫度測量要求。
1 測試儀表的組成原理
測溫儀表的組成如圖1所示。
儀表主要由參考點溫度測量、被測點溫度測量與放大、雙路模數轉換、單片機運算處理、隔離及譯碼電路、顯示電路等模塊組成。參考點測溫電路必須感應出參考結合點的溫度，為補償提供基準;熱電偶用于探測被測點溫度，由于在國家已有的標準分度的熱偶中，S型熱偶性能最穩定，測溫范圍也寬，因而配置該類熱偶;上述兩路信號送入A/D轉換電路，變成數字量傳給單片機;單片機需要控制A/D轉換，計算補償量和熱偶輸出的溫度量，完成熱偶的非線性補償和參考結合點補償;最后將結果送給譯碼顯示電路。
2溫度測量的關鍵技術理論
2.1熱電偶的非線性補償
熱電偶測溫的最大問題在于其回路熱電勢與對應溫度值之間的非線性，為了準確地測量溫度，必須解決熱電偶的非線 性 補 償 問 題。1種 有 效 的 補 償 方 法 是 分 段 線 性化法。在熱電偶整個測溫范圍內，將其分為n個溫度段，每段用最小二乘法求折線來近似表示熱電偶的熱電勢和溫度的關系，該法可離線在微機上先行擬合，亦可根據精度需要靈活分段，待得到擬合的各段線性表達式后，再編制程序，由單片機完成。對于等精度，獨立的測量來說，其基本原則是各個數據點與擬合直線的偏差平方和為最小值。設熱電偶的電勢-溫度曲線分為n段，非線性曲線可表示為：根據最小二乘原理，可以求得ai和bi(i=1，…，n)的值，式(1)中的x只在相應的分段內有效。本文研究S型熱電偶的分段線性化，根據S型熱電偶的分度表，在PC上離線進行分段線性擬合，得到S型熱電偶擬合結果。共擬合為18段，如表1所示。
2.2參考點溫度測量與補償
參考 點 溫 度 采 用 集 成 溫 度 傳 感 器AD590來 測 量AD590為電流型傳感器，其輸出電流與溫度成正比。當溫度為T0時，其電流為：
再由 表1可 求 得 其 反 向 表 達 式，由 此 計 算 補 償 電勢
3技術實現
3.1熱電偶輸出信號放大及計算
熱電偶輸出的熱電勢，經儀表放大器放大后，送入A/D轉換器。放大器的放大倍數G按式(7)確定：
式中：ET，To為熱電偶相對于參考點的輸出熱電勢，V2為放大器輸出的信號。
3.2A/D轉換電路
A/D轉換選用Σ-Δ轉換技術的模數轉換器MAX110，它利用過采樣技術，把更多的量化噪聲壓縮到基本頻帶外邊的高頻區，并由低通數字濾波器濾出這些帶外噪聲。其最大特點是：抑制噪聲能力強，外圍電路簡單，采用串行輸出。MAX110采用內部自動校準技術，高達14位分辯力，其內部具有程控開關，可直接在2個通道之間任意切換，這樣不論配以何種熱電偶測溫，均可按要求進行2路信號采集，一路采集室溫信號;另一路則采集熱電偶感應信號，進行適當計算，即能求得被測點溫度的準確值。
3.3單片機(MCU)電路
單片機電路部分主要完成數值運算和一些控制功能。計算功能主要有：對室溫的計算及補償，熱電偶熱電勢的計算及線性化補償、探測點溫度的計算、二―――十進制數碼的轉換及輸出、標度變換等。控制功能則主要是對A/D轉換器的校準發出控制指令，2個采樣通道間切換的控制。A/D轉換串行輸出的控制，譯碼及顯示的控制等。
3.4線性化計算
4實際電路中的誤差分析
4.1電路測量誤差來源及相應措施
放大電路的誤差來源，取決于放大器的線性度和決定放大倍數的外接電阻，為了提高測量精度，參考點溫度測量采用AD590電流型傳感器，選擇高精度電阻器RG2，可使被測量電路的誤差控制在0.1%以內。由于A/D轉換器輸入阻抗有限，而RG2選用5kΩ精密電阻，相對A/D轉換器形成了較大的源阻抗，若不進行匹配設計，會給測試 帶 來10%的誤差，為此需要設計阻抗匹配電路，保證測量精度。
4.2計算誤差分析及處理
在整個測量轉換過程中，單片機要完成較高精度的計算，本文采用三字節浮點運算，其精度約為4位半十進制數，即在萬分之一以下，但考慮到單片機多次計算，必然會帶來累積誤差，為此將各固定系數先在PC上離線計算，并將其轉換為三字節浮點數置入相應單元，最后將采樣數據直接代入運算，這樣既減少了單片機的計算量，又消除了大部分誤差，運算精度大幅提高。以第1段(可能引入的最大誤差段，系數為170.634)為例，對誤差分析如下：
由式(14)得：經此處理之后，A/D轉換誤差導致最后顯示結果上帶來的誤差主要在通道2，即對熱電偶輸出電勢轉換結果，當其出現4個字的誤差時，才會在顯示的輸出結果上產生1個字的跳變。
5結論
溫度測量中熱電偶輸出非線性和參考結合點補償是兩個最重要的問題。本文對參考點溫度采用集成溫度傳感器測量，由微處理器按線性化公式的反向表達式計算，完成熱電偶輸出電勢的數字迭加，實現數字化自適應補償。熱電偶輸出的非線性以18個直線段近似表達，線性化誤差優于0.05%。數值運算經巧妙處理，減少了計算積累誤差。按此方案研制的溫度測量儀表，在0～1665 ℃范圍內，測量誤差優于±1 ℃。其技術指 標優 于國 外 同 類 溫 度 測 量儀器。
摘自：中國計量測控網
