一类高精度温度测量技术研究
发布时间：2017-11-22
引言
一般的测温仪表大多存在这样的问题：测量精度高的测温范围窄;测温范围宽的精度又不高，因此这些测温仪不论是测试精度、还是测温范围都不能满足某些特定温度测试要求。在大范围温度测量中，目前广泛采用的是各类热电偶，配合二次仪表。但所有热电偶测温都无一例外地遇到2个问题：热电偶输出非线性和参考结合点补偿问题。热电偶非线性补偿主要有2种方法：硬件法和软件法。硬件补偿法的缺点是适应性差。随着微处理器的大量使用，近年来国际上流行用软件补偿热电偶的非线性，这种方法电路设计简单，补偿精度好，因而应用日益广泛。在软件补偿法中，又有查表法、多项式法、分段线性化法等。参考结合点补偿：过去采用恒温槽法，但在使用时很不方便。现在使用较普遍的是热敏三极管或热敏电阻的物理补偿法。这种方法也因补偿器件的特性不同而导致结果的差异。本文介绍的测试方法采用S型热电偶，并配合二次仪表构成一台高精度、大范围的测温仪表。参考点温度采用AD590集成温度传感器测量，并对测量结果进行数字计算，完成纯数字化补偿;对热电偶的非线性特性则采用分段线性化方法进行修正，此方法灵活方便，能达到很好的精度，完全可以满足特定的温度测量要求。
1 测试仪表的组成原理
测温仪表的组成如图1所示。
仪表主要由参考点温度测量、被测点温度测量与放大、双路模数转换、单片机运算处理、隔离及译码电路、显示电路等模块组成。参考点测温电路必须感应出参考结合点的温度，为补偿提供基准;热电偶用于探测被测点温度，由于在国家已有的标准分度的热偶中，S型热偶性能最稳定，测温范围也宽，因而配置该类热偶;上述两路信号送入A/D转换电路，变成数字量传给单片机;单片机需要控制A/D转换，计算补偿量和热偶输出的温度量，完成热偶的非线性补偿和参考结合点补偿;最后将结果送给译码显示电路。
2温度测量的关键技术理论
2.1热电偶的非线性补偿
热电偶测温的最大问题在于其回路热电势与对应温度值之间的非线性，为了准确地测量温度，必须解决热电偶的非线 性 补 偿 问 题。1种 有 效 的 补 偿 方 法 是 分 段 线 性化法。在热电偶整个测温范围内，将其分为n个温度段，每段用最小二乘法求折线来近似表示热电偶的热电势和温度的关系，该法可离线在微机上先行拟合，亦可根据精度需要灵活分段，待得到拟合的各段线性表达式后，再编制程序，由单片机完成。对于等精度，独立的测量来说，其基本原则是各个数据点与拟合直线的偏差平方和为最小值。设热电偶的电势-温度曲线分为n段，非线性曲线可表示为：根据最小二乘原理，可以求得ai和bi(i=1，…，n)的值，式(1)中的x只在相应的分段内有效。本文研究S型热电偶的分段线性化，根据S型热电偶的分度表，在PC上离线进行分段线性拟合，得到S型热电偶拟合结果。共拟合为18段，如表1所示。
2.2参考点温度测量与补偿
参考 点 温 度 采 用 集 成 温 度 传 感 器AD590来 测 量AD590为电流型传感器，其输出电流与温度成正比。当温度为T0时，其电流为：
再由 表1可 求 得 其 反 向 表 达 式，由 此 计 算 补 偿 电势
3技术实现
3.1热电偶输出信号放大及计算
热电偶输出的热电势，经仪表放大器放大后，送入A/D转换器。放大器的放大倍数G按式(7)确定：
式中：ET，To为热电偶相对于参考点的输出热电势，V2为放大器输出的信号。
3.2A/D转换电路
A/D转换选用Σ-Δ转换技术的模数转换器MAX110，它利用过采样技术，把更多的量化噪声压缩到基本频带外边的高频区，并由低通数字滤波器滤出这些带外噪声。其最大特点是：抑制噪声能力强，外围电路简单，采用串行输出。MAX110采用内部自动校准技术，高达14位分辩力，其内部具有程控开关，可直接在2个通道之间任意切换，这样不论配以何种热电偶测温，均可按要求进行2路信号采集，一路采集室温信号;另一路则采集热电偶感应信号，进行适当计算，即能求得被测点温度的准确值。
3.3单片机(MCU)电路
单片机电路部分主要完成数值运算和一些控制功能。计算功能主要有：对室温的计算及补偿，热电偶热电势的计算及线性化补偿、探测点温度的计算、二―――十进制数码的转换及输出、标度变换等。控制功能则主要是对A/D转换器的校准发出控制指令，2个采样通道间切换的控制。A/D转换串行输出的控制，译码及显示的控制等。
3.4线性化计算
4实际电路中的误差分析
4.1电路测量误差来源及相应措施
放大电路的误差来源，取决于放大器的线性度和决定放大倍数的外接电阻，为了提高测量精度，参考点温度测量采用AD590电流型传感器，选择高精度电阻器RG2，可使被测量电路的误差控制在0.1%以内。由于A/D转换器输入阻抗有限，而RG2选用5kΩ精密电阻，相对A/D转换器形成了较大的源阻抗，若不进行匹配设计，会给测试 带 来10%的误差，为此需要设计阻抗匹配电路，保证测量精度。
4.2计算误差分析及处理
在整个测量转换过程中，单片机要完成较高精度的计算，本文采用三字节浮点运算，其精度约为4位半十进制数，即在万分之一以下，但考虑到单片机多次计算，必然会带来累积误差，为此将各固定系数先在PC上离线计算，并将其转换为三字节浮点数置入相应单元，最后将采样数据直接代入运算，这样既减少了单片机的计算量，又消除了大部分误差，运算精度大幅提高。以第1段(可能引入的最大误差段，系数为170.634)为例，对误差分析如下：
由式(14)得：经此处理之后，A/D转换误差导致最后显示结果上带来的误差主要在通道2，即对热电偶输出电势转换结果，当其出现4个字的误差时，才会在显示的输出结果上产生1个字的跳变。
5结论
温度测量中热电偶输出非线性和参考结合点补偿是两个最重要的问题。本文对参考点温度采用集成温度传感器测量，由微处理器按线性化公式的反向表达式计算，完成热电偶输出电势的数字迭加，实现数字化自适应补偿。热电偶输出的非线性以18个直线段近似表达，线性化误差优于0.05%。数值运算经巧妙处理，减少了计算积累误差。按此方案研制的温度测量仪表，在0～1665 ℃范围内，测量误差优于±1 ℃。其技术指 标优 于国 外 同 类 温 度 测 量仪器。
摘自：中国计量测控网
