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，并根據冷熱端溫度差產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢測量溫度，且具有測量精度高、構造簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在測溫儀表中得到了廣泛應用。通用的冷端補償方法由于其結構復雜，噪聲大，線(xiàn)性度差會(huì )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，用溫度系數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(chǎng)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(shí)R1=R3=R2=R1，可使得電橋的輸出為零，若冷端溫度升高，會(huì )使得熱電偶的熱電勢減小而帶來(lái)測量誤差，但此時(shí)PT1000的阻值也會(huì )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(shí)驗數據記錄

實(shí)驗過(guò)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轉換后，通過(guò)MCU上傳上位機，由上位機將A/D值換算為溫度并顯示。實(shí)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(shí)驗要求需要使電橋電流為一個(gè)合適值，調試難度高。在進(jìn)行多路測量時(shí)，需要布置多路裝置，結構較為復雜。

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(guò)A/D轉換后，由MCU傳給上位機將電阻值通過(guò)軟件換算成電壓值加到熱電偶的電壓上再通過(guò)補償塊消除冷端溫度變化帶來(lái)的影響，從而進(jìn)行補償。

2.2 補償塊的設計

此方法進(jìn)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(cháng)方體鋁塊的橫向中軸線(xiàn)上依次等距打出3個(gè)通孔，并沿橫向中軸線(xiàn)切開(kāi)。在之后的接線(xiàn)過(guò)程中將兩根補償導線(xiàn)壓如左右兩個(gè)通孔，中間的通孔壓入熱電阻PT1000。在壓入過(guò)程中為保證熱傳導的均勻性，熱電阻和補償導線(xiàn)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(guò)補償導線(xiàn)接到儀表箱內的補償塊之后再通過(guò)Cu導線(xiàn)連接箱內電路板。補償塊與熱電偶冷端處于儀表箱內。PT1000用于測量?jì)x表箱內溫度To，Tc是儀表箱外的環(huán)境溫度。

由于程序設計要求，在未接補償電路時(shí)上位機顯示溫度T1為A處的實(shí)際溫度Tr加上箱內的溫度Tb，即T1=Tr+Tb。儀表在實(shí)際使用當中溫度箱內溫度會(huì )產(chǎn)生變化要避免箱內溫度的變化對實(shí)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(huì )使上位機顯示溫度T1隨箱內溫度升高，在加入補償電路后，補償塊在箱內受熱均勻，補償導線(xiàn)兩端與PT1000處于同一溫度場(chǎng)中，補償導線(xiàn)產(chǎn)生的電壓可以抵消掉冷端溫度變化帶來(lái)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(huán)境溫度Tc有關(guān)，即T1=Tr+Tc。

2.4 實(shí)驗數據記錄

實(shí)驗過(guò)程與電橋法實(shí)驗過(guò)程類(lèi)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轉換后，通過(guò)MCU上傳上位機，由上位機將A/D值換算為溫度并顯示。實(shí)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?xún)惹揖€(xiàn)性度好，在進(jìn)行多路測量時(shí)只需在補償塊上多加幾組通孔即可，結構簡(jiǎn)單可滿(mǎn)足工業(yè)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(xiàn)，如圖4和圖5所示。

圖5中曲線(xiàn)可看出，電橋法的線(xiàn)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(xiàn)性特性且不重合，故在補償范圍內只有在兩條曲線(xiàn)相交點(diǎn)對應的冷端溫度下能完全補償即無(wú)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(shí)際使用當中需要使用更復雜的電路來(lái)減少由于非線(xiàn)性所產(chǎn)生的誤差。

從圖4補償塊法的4條曲線(xiàn)可看出，其最大誤差不超過(guò)1℃且線(xiàn)性較好，能更準確地達到測量要求。

4 結束語(yǔ)

本文所述基于熱電偶的測溫儀表冷端補償方法電路簡(jiǎn)單、穩定、噪聲小，且線(xiàn)性度好。其在進(jìn)行多路測量時(shí)只需在補償塊上多打幾個(gè)通孔將補償導線(xiàn)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。