一种基于分度表的多点温度测试系统设计

　　引言

　　热电偶是温度测量中应用相当广泛的一种温度传感器,它具有测量范围大、性能稳定、安装使用方便的特点。但是,各型号热电偶的分度表都是在参考端温度为 0℃时编制而成的, 为了使输出的热电动势与被测温度成单值函数关系, 需将参考端温度保持为 0℃,而在实际测量中做到这一点很困难;同时,热电偶的温度-热电势转换率很小 (如 K 型热电偶的热电势转换率仅为 41μV/℃),信号较弱不便于远距离传输;另外,热电偶输出热电动势与所测量温度之间是非线性关系, 虽然采用了一些线性化的方法,但测量误差仍然可观。本文提出了一种基于热电偶分度表的线性多点温度测试系统设计方法,有效克服了以上缺陷,实现了真正意义上的线性化多点温度测量。

　　1测量原理

　　1.1 冷端温度补偿原理

　　由热电偶测温原理可知, 热电偶只有在冷端温度不变的条件下,其产生的热电动势才与工作端温度成单值函数关系。实际应用中,由于热电偶冷端离工作端很近,且又处于坏境介质中,其温度易受测量对象和环境温度波动的影响, 因而冷端温度很难保持恒定,这样会发生测量误差,为消除这种误差必须对热电偶冷端进行补偿。热电偶冷端温度补偿的方法主要有冷端温度校正法 (又称计算修正法)、冷端恒温法、补偿导线法、自动补偿法等。本文采用计算修正法,其原理是:如果冷端温度偏离 0℃但稳定在 T℃应按(1)式对热电偶输出热电动势进行修正。

　　1.2 线性化过程

　　由于热电偶的输出热电动势与所测温度关系为非线性关系(例如 K 型热电偶的热电动势与温度关系曲线在 0℃到 600℃时最大非线性误差为-1%),因此,为保证测量精度必须对测量数据进行线性化处理。

　　本测试系统采用软件进行线性化处理。其过程为:首先剔除测试数据的奇异值, 根据所选用的热电偶型号调用对应的热电偶分度表;其次精确测出热电偶的热电动势Et和冷端温度,用计算修正法进行冷端温度补偿,计算出测量点温度的热电动势值;最后根据计算出的热电动势值,调用热电偶分度表,用二次插值法进行一定的运算即可得到所测量温度值。线性化流程框图如图1 所示。

　　实际使用过程中, 可将各型号热电偶分度表分别做成一个数据文件, 使用者根据具体使用的热电偶类型打开相应的数据文件,将分度表的值调入,并存入一个二维数组。然后将冷端补偿后的热电动势值与分度表电压数值进行比较和二次插值计算得到温度值。二次插值公式如(2)式所示。

式中,(x,y) — 要计算节点坐标值;(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2) — 插值节点坐标值;