热电偶非线性特性的开环补偿方法

　　一、引言

　　热电偶作为一种最成熟的感温元件,在中、高温测量领域得到了非常广泛的应用。由热电偶的测温原理可知,在参考端温度t0恒定的情况下,热电偶的热电势Et与工作端温度t成单值函数关系,这一关系由热电偶的分度表给出。由于热电偶的分度表是在参考端温度为0℃时作出的,且E~t为非线性关系,因此,为了保证测量准确度,在实际使用热电偶进行温度测量时,必须对热电偶的参考端温度进行补偿。此外,为了使热电偶测温仪表的输出与被测温度t之间具有线性关系,必须对热电偶的特性进行线性化,即在仪表中引入一种称为“线性化器”的特殊环节,用它来补偿热电偶的非线性。

　　测量仪表非线性特性的补偿方法有开环式补偿法、反馈补偿法和增益控制式补偿法三种。本文所介绍的热电偶测温仪表采用开环式补偿法,其优点是结构简单,调整比较容易。

　　二、开环补偿热电偶测温仪表的原理及构成

　　笔者设计的热电偶测温仪表的结构原理如图1所示。该仪表可以实现温度信号的远传及数字显示。其中热电偶特性的线性化采用开环式非线性补偿法,用五段折线近似逼近热电偶的非线性特性,由此求出所需要的线性化器的非线性特性。仪表的各组成环节均由硬件电路加以实现,其中的放大环节采用三运放仪表放大器,线性化器则采用由电阻、精密整流器以及运算放大器组合而成的折线近似逼近式非线性函数电路加以实现。

　　工作时,被测温度t经热电偶变换成热电势E(t,t0),再经参考端温度补偿之后变为E(t,0),即分度表上对应的热电势,该变换是非线性变换。因热电势较小(mV级),经放大器放大为u2(0~2V),放大器具有线性特性,放大倍数为K。将u2作为线性化器的输入信号,利用线性化器本身的非线性特性补偿热电偶特性的非线性,从而使线性化器的输出电压u3(0~2V)与被测温度t之间呈线性关系。为了采用电流信号进行远距离传送,以减小传输误差,需经过电压/电流(V/I)转换器,将电压u3(0~2V)转变成电流I0(0~10mA)。再经过电阻R0将输出电流I0转变成电压u0供给三位半数显表,对温度进行数字显示。数显表的输入电压范围为0~2V,每1mV显示一个数字,显示数字范围为0~1999。

　　三、线性化器非线性特性的求取

　　利用开环式非线性特性补偿法实现热电偶测温仪表线性化的关键问题是:如何根据已知的热电偶的非线性特性求出所需要的线性化器的非线性特性并加以物理实现。

　　根据所要求的u3~t的线性关系以及已知的E~t非线性关系和u2~E线性关系,可以利用解析法或图解法求取线性化器的u3~u2非线性特性。图解法虽然比解析法简单,但是精度较差。因此笔者采用如下方法求取线性化器的非线性特性。由热电偶的分度表可知热电偶的非线性热电特性为