基於熱電偶的測溫儀表冷端補償方法

2021-01-08 電子工程世界

熱電偶是一種常用的溫度傳感器，是利用熱電效應，並根據冷熱端溫度差產生的熱電動勢測量溫度，且具有測量精度高、構造簡單、使用方便等優點。在測溫儀表中得到了廣泛應用。通用的冷端補償方法由於其結構複雜，噪聲大，線性度差會對測量結果造成較大的影響。

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，用溫度係數近似為零的錳銅製造，即其阻值不隨溫度的變化而變化，而Rt用熱電阻PT1000，其與熱電偶冷端處於同一溫度場中，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 實驗數據記錄

實驗過程中用毫伏電壓發生器模擬K型熱電偶熱電勢，在電路板上完成A/D轉換後，通過MCU上傳上位機，由上位機將A/D值換算為溫度並顯示。實驗結果如表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，調試難度高。在進行多路測量時，需要布置多路裝置，結構較為複雜。

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轉換後，由MCU傳給上位機將電阻值通過軟體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 補償塊的設計

此方法進行冷端補償的主要裝置是一塊導熱性能良好的鋁塊，其結構如圖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，並沿橫向中軸線切開。在之後的接線過程中將兩根補償導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的均勻性，熱電阻和補償導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 補償電路設計

如圖3所示，熱電偶通過補償導線接到儀表箱內的補償塊之後再通過Cu導線連接箱內電路板。補償塊與熱電偶冷端處於儀表箱內。PT1000用於測量儀表箱內溫度To，Tc是儀表箱外的環境溫度。

 

 

由於程序設計要求，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加上箱內的溫度Tb，即T1=Tr+Tb。儀表在實際使用當中溫度箱內溫度會產生變化要避免箱內溫度的變化對實際測量溫度的影響，設計接入補償電路。

當儀表箱內溫度升高，會使上位機顯示溫度T1隨箱內溫度升高，在加入補償電路後，補償塊在箱內受熱均勻，補償導線兩端與PT1000處於同一溫度場中，補償導線產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溫度變化的影響，只與箱外環境溫度Tc有關，即T1=Tr+Tc。

2.4 實驗數據記錄

實驗過程與電橋法實驗過程類似，用毫伏電壓發生器模擬K型熱電偶熱電勢，在電路板上完成A/D轉換後，通過MCU上傳上位機，由上位機將A/D值換算為溫度並顯示。實驗結果如表2所示。

 

 

從上表可看出，該補償方法具有較高的準確度，誤差在1℃以內且線性度好，在進行多路測量時只需在補償塊上多加幾組通孔即可，結構簡單可滿足工業應用需求。

3 補償塊法與電橋法的數據對比分析

根據表1和表2中的數據，文中以輸入電壓為橫坐標，誤差值為縱坐標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，由於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，故在補償範圍內只有在兩條曲線相交點對應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。在實際使用當中需要使用更複雜的電路來減少由於非線性所產生的誤差。

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，能更準確地達到測量要求。

4 結束語

本文所述基於熱電偶的測溫儀表冷端補償方法電路簡單、穩定、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，達到了技術指標。

關鍵字：熱電偶  測溫儀表  冷端補償 編輯：什麼魚 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016080416535.html

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