基于多種類型熱電偶的分層測溫電路設計

摘要:針對航天領域測溫范圍差異大、環(huán)境復雜以及精度要求高等需求，設計了一種基于多種類型熱電偶的分層測溫電路。根據(jù)不同類型熱電偶的測溫范圍以及特點,選用了T型、K型和S型3種熱電偶。首先,分別設計了與3種熱電偶相對應的冷端補償方案,并對輸出信號進行放大、濾波以及過壓保護，以提高電路的抗干擾能力。利用采集量化電路選取測溫通道,并將熱電偶輸出信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。采取多項式分段線性擬合的方式對熱電偶進行非線性校正,并通過試驗計算測溫電路的誤差精度。T型熱電偶通道測溫范圍為-50℃~300℃,K型熱電偶為-20℃~1100℃,S型熱電偶為0℃~1600℃。結果表明,3種類型熱電偶測量精度均滿足±0.2%F.S。
0引言
　　T型熱電偶是最佳的測低溫廉金屬熱電偶，測溫范圍是-200℃~350℃具有靈敏度高、穩(wěn)定性好及溫度近似線性等優(yōu)勢。在測量低溫的條件下,比K型熱電偶精度更高。K型熱電偶是常見的廉金屬熱電偶,具有線性度良好、熱電動勢大及靈敏度高等優(yōu)勢，具有很寬的測溫范圍:-200℃~1200℃。S型熱電偶屬于貴金屬熱電偶,具有穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)勢，其測溫范圍為0℃~1600℃。常見測溫系統(tǒng)通常采用單種類型熱電偶,但每種熱電偶測溫范圍、適用環(huán)境具有較大的差異,使得測溫系統(tǒng)的使用范圍受到很大的限制。并且采用單種類型熱電偶進行全量程范圍溫度的測量,無法達到最佳的精度。本文同時選用這3種不同類型的熱電偶,可以根據(jù)測量溫度以及范圍的不同選擇適合的通道。這種分層測溫的設計,不僅能夠提高測溫的精度,最大化地利用不同類型熱電偶的優(yōu)勢和特點,也能夠利用廉金屬熱電偶在某些條件下替代貴金屬熱電偶,從而節(jié)省了成本。
　　本設計針對T型、K型、S型這3種類型的熱電偶,分別設計了相應的信號調(diào)理模塊和采集量化模塊,并對熱電偶進行線性擬合等處理,實現(xiàn)了對熱電偶信號的調(diào)理和采集。
1總體設計方案
　　每種熱電偶設有4個通道。其中T型熱電偶測溫范圍均為-50℃~300℃,K型熱電偶測溫范圍均為-20℃~1100℃,S型熱電偶測溫范圍均為0℃~1600℃。信號調(diào)理模塊主要是針對熱電偶輸出信號進行冷端補償、信號放大、濾波以及過壓保護等處理。采集量化模塊用于熱電偶測溫通道的選擇、并將模擬信號轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字信號，再通過上位機軟件進行采集和處理。設計原理如圖1所示。

2硬件電路設計
2.1冷端補償電路
　　熱電偶是通過測量熱端和冷端的溫差,輸出相應的電勢，實現(xiàn)測溫功能。但是對于大多數(shù)測溫裝置而言,始終保持冷端為0℃很難實現(xiàn)，因此實際應用中,需要對熱電偶進行冷端補償,從而使得其輸出為穩(wěn)定狀態(tài)凹。
1)采用AD8495的冷端補償電路
　　AD8495為一款針對于K型熱電偶的儀表放大器,其集冷端補償和放大功能于一體,具有精度高、冷端補償范圍廣等特點。其固定增益為122.4,用于放大熱電偶輸出的微小信號,提供5mV/℃的線性輸出。此外,AD8495具有很高的共模抑制比,從而可以有效抑制共模噪聲干擾3]。
　　圖2為K型熱電偶冷端補償電路,在輸入正端串聯(lián)一個1Mn的電阻并接地,能夠?qū)犭娕歼M行開路檢測。為.了防止長引線熱電偶所產(chǎn)生的高頻噪聲隨有效信號一起進入放大電路,進而導致有效信號受到干擾。需要在熱電偶與AD8495之間接入RFI射頻濾波電路,提高電路的抗干擾能力![4]如圖2左端所示。

　　此外,由于熱電偶的響應速度較慢,因此需要進行濾波處理。在放大器輸出信號后接入二階低通濾波電路,消除口電路中串擾噪聲的影響,如圖3所示

2)采用AD590的冷端補償電路
　　T型與S型熱電偶暫時沒有典型的專用冷端補償儀表放大器，因此可以添加一個隨溫度線性變化的補償電壓U.來實現(xiàn)。AD590是一款集成兩端感溫電流源,其電流與絕對溫度成比例輸出:1μA/℃的。當處于完全補償狀態(tài)時,有:

　　式中:Ic為AD590產(chǎn)生的電流，V。由溫度補償式帶隙基ef2準電壓源AD580提供，ea(t,Rr)為參考節(jié)點電勢。當補償AB電壓U.隨溫度的變化率與熱電偶在該溫度(工作溫度的中心值)下的微分熱電勢一致時,即可完成補償。即對U。進行求導,得到式：

　　例如,設定熱電偶工作環(huán)境為0℃~50℃，則選取25℃對其進行完全補償。其中,AD590在25℃時輸出電流為298μA,參考電壓為25V。T型熱電偶在25℃下，輸出熱電勢為0.992mV,微分熱電勢率為4X10-5V/°C。S型熱電偶在25℃下輸出熱電勢為0.143mV,微分熱電勢為6×10^-6“V/℃。聯(lián)立式(3)、(4)并分別帶入相關數(shù)據(jù)，即可算出2種熱電偶冷端補償電路中R9、R10以及R11的阻值[8]。
　　此外,熱電偶經(jīng)過冷端補償后還需要通過AD8227對信號進行放大,其增益G=5+80K/(R12+R13)。同K型熱電偶調(diào)理電路一樣,T型和S型熱電偶也需要接入射頻濾波電路和二階低通濾波電路,如圖4所示。

2.2增益調(diào)整電路
　　熱電偶輸出信號經(jīng)過冷端補償以及放大之后,需要進行采集,但是此時的電壓范圍和A/D變換的輸入電壓范圍不一定能夠匹配,因此需要進行增益調(diào)整[9]對于K型熱電偶而言,AD8495的增益是固定的，需要分壓之后再進行模數(shù)信號的轉(zhuǎn)換,如圖5所示。對于T型和S型熱電偶而言,可以根據(jù)測溫范圍以及所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入電壓范圍進行計算,確定R14和R15的阻值已達到預設的增益。

2.3過壓保護電路
　　為了避免調(diào)理電路出現(xiàn)超量程而使得后續(xù)采集電路損壞，需要在采集電路前接入過壓保護電路。V;表示熱電偶調(diào)理電路的輸出信號，V0與采集電路模塊相連，如圖6所示。

2.4信號采集電路
　　采樣量化電路的主控制器FPGA通過控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,對輸入的模擬信號依次采樣量化,主要由模擬開關和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC組成。模擬開關電路主要負責信號采集通道的切換。信號進入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路前需要通過分壓跟隨和抗混疊濾波電路，如圖7所示。分壓跟隨電路用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入信號緩沖作用，抗混疊濾波電路可以有效地抑制反沖噪聲和帶外噪聲。

3多項式分段線性擬合.
　　熱電偶在測試過程中,通過讀取其輸出的熱電勢,去反推溫度,實現(xiàn)測溫功能。例如可以使用二分法去查找對應熱電偶分度表的方法得到對應的溫度。鑒于分度表的間隔是整數(shù),在大多數(shù)情況下,無法正確找到對應的溫度,因此還需配合線性方程一起使用。但是熱電偶的熱電勢和溫度的關系在全量程范圍內(nèi)并不是呈線性關系的,其響應曲線的斜率會隨著溫度而變化，從而會導致熱電偶的輸出電壓與實際測得的溫度存在一定的偏差。并且,對于標準的熱電偶而言,若型號相同,其誤差基本是恒定的。因此,對熱電偶進行非線性補償具有必要性和可行性[12]。利用最小二乘法得到不同溫度段的“溫度熱電勢”函數(shù),并將熱電勢帶入對應的方程中,反推得到溫度。這種方法適合于熱電勢率比較穩(wěn)定的熱電偶類型，從而可以將溫度分為較少的幾個區(qū)段去擬合[13]。
　　NIST提出了標準熱電偶分度表和各類型熱電偶“溫度-熱電勢”變換函數(shù)的高階多項式系數(shù)及變換函數(shù)反函數(shù)的系數(shù)。這種方式相對于最小二乘法而言,精度更高,并且適用性更廣。其溫度與熱電偶輸出電壓的關系式為:

　　其中，E為熱電偶輸出電壓,dN為多項式系數(shù)[14]。
3.1K型熱電偶
　　K型熱電偶溫度和輸出電壓曲線在0℃以下線性度存在明顯的偏差。因此,需要對溫度進行分段擬合。經(jīng)過多次嘗試,將溫度分為3段:-270℃~0℃、0℃~500℃和500℃~1372℃。并分別進行擬合,結果表明,其線性度均可達到0.9999。
　　K型熱電偶的N多項式系數(shù)如表1所示,單位為mV。代入系數(shù)可以得出輸出電壓一溫度函數(shù):


3.2T型熱電偶
　　與K型熱電偶類似,T型熱電偶在全量程范圍內(nèi)溫度和輸出電壓也并不是呈完全線性，因此也需要進行分段擬合數(shù)。將溫度分為2段:200℃~0℃和0℃~400℃。其多項式系數(shù)如表2所示。

3.3S型熱電偶
　　S型熱電偶溫度分為:0℃~250℃、250℃~1200℃和1200℃~1600℃。S型熱電偶多項式系數(shù)如表3所示。

　　由于器件及補償誤差等因素,無法保證電路的絕對線性。使得實際測量結果和線性擬合曲線存在一定的誤差,并且該誤差并不是恒定為正或者為負。因此,引入一個校準系數(shù)b。b為實際測量結果曲線和理想擬合線性曲線最大正誤差b1和最大負誤差b2和的1/2,可以得到最終的.“輸出電壓-溫度”函數(shù)[15]

4試驗與驗證
　　為了驗證設計的可行性和正確性,需要對設備工作性能進行試驗。結合3種熱電偶的預設測溫范圍和分段線性擬合區(qū)段,分別設定幾個溫度點進行測試。使用Omega公司的CL3515R系列溫度校準儀模擬熱電偶在所設定溫度下的輸出熱電勢,通過采集設備讀取相應的數(shù)字量,并帶入標定公式換算得到對應的溫度值,再與標準溫度進行對比,得到最終測量精度。3種熱電偶測試結果分別為表4~6所示。