基于熱電偶的測溫儀表冷端補償方法

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。在測溫儀表中得到了廣泛應(yīng)用。通用的冷端補償方法由于其結(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 通用熱電偶冷端補償方法

1.1 電橋補償法的原理

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R1=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PT1000的阻值也會隨溫度升高而增加，則補償電橋失去平衡，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。

1.2 實驗數(shù)據(jù)記錄

實驗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，由上位機將A/D值換算為溫度并顯示。實驗結(jié)果如表1所示。

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，為達到實驗要求需要使電橋電流為一個合適值，調(diào)試難度高。在進行多路測量時，需要布置多路裝置，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

2 熱電偶冷端補償的新方法

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償塊消除冷端溫度變化帶來的影響，從而進行補償。

2.2 補償塊的設(shè)計

此方法進行冷端補償?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。

在長方體鋁塊的橫向中軸線上依次等距打出3個通孔，并沿橫向中軸線切開。在之后的接線過程中將兩根補償導(dǎo)線壓如左右兩個通孔，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，熱電阻和補償導(dǎo)線的直徑要一致且與補償塊充分接觸，絕緣材料要相同。

2.3 補償電路設(shè)計

如圖3所示，熱電偶通過補償導(dǎo)線接到儀表箱內(nèi)的補償塊之后再通過Cu導(dǎo)線連接箱內(nèi)電路板。補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。

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

當(dāng)儀表箱內(nèi)溫度升高，會使上位機顯示溫度T1隨箱內(nèi)溫度升高，在加入補償電路后，補償塊在箱內(nèi)受熱均勻，補償導(dǎo)線兩端與PT1000處于同一溫度場中，補償導(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T1=Tr+Tc。

2.4 實驗數(shù)據(jù)記錄

實驗過程與電橋法實驗過程類似，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，由上位機將A/D值換算為溫度并顯示。實驗結(jié)果如表2所示。

從上表可看出，該補償方法具有較高的準(zhǔn)確度，誤差在1℃以內(nèi)且線性度好，在進行多路測量時只需在補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償電橋的輸出特性均是非線性特性且不重合，故在補償范圍內(nèi)只有在兩條曲線相交點對應(yīng)的冷端溫度下能完全補償即無補償誤差，其他冷端溫度下只能部分補償，存在補償誤差。在實際使用當(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。

從圖4補償塊法的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)確地達到測量要求。

4 結(jié)束語

本文所述基于熱電偶的測溫儀表冷端補償方法電路簡單、穩(wěn)定、噪聲小，且線性度好。其在進行多路測量時只需在補償塊上多打幾個通孔將補償導(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，達到了技術(shù)指標(biāo)。