一種熱電偶測量儀表的校準(zhǔn)方法

摘要:提出了一種熱電偶測量儀表的校準(zhǔn)方法。采用Labview軟件和精度高模擬輸出板卡相結(jié)合的方法,將溫差轉(zhuǎn)化為0~5V的直流電壓輸出,將不同類型的熱電偶分度表擬合出函數(shù)關(guān)系,用于糾正熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢和溫差之間非嚴(yán)格線性關(guān)系,然后通過外部模擬運(yùn)算電路將板卡輸出電壓轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的溫差電動(dòng)勢輸出,可以實(shí)現(xiàn)多種類型熱電偶測量儀表在不同使用溫度范圍的校準(zhǔn)。經(jīng)過數(shù)據(jù)測試及分析,輸出的溫差電動(dòng)勢均在允許的誤差范圍內(nèi),且操作簡便能很方便地用于熱電偶測量儀表的校準(zhǔn)。
0引言
　　熱電偶具有測量溫度范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單以及價(jià)格相對便宜等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)測量中得到廣泛應(yīng)用。熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢和熱電偶的型號(hào)相關(guān),并且會(huì)受到基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)溫度的影響,因此在測量過程中需要加入補(bǔ)償電路。目前熱電偶測量儀表的校準(zhǔn)方法主要有2種,一種是將熱電偶放在恒溫標(biāo)準(zhǔn)熱源環(huán)境中進(jìn)行標(biāo)定";另一種是用毫伏電壓發(fā)生器產(chǎn)生精度高毫伏電壓進(jìn)行標(biāo)定。采用第1種方法操作簡單,但標(biāo)準(zhǔn)熱源實(shí)現(xiàn)困難,在校準(zhǔn)過程中需要長時(shí)間地等待溫度穩(wěn)定。采用第2種方法精度較高,但需要通過查表或計(jì)算將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動(dòng)勢。
　　本文利用上位機(jī)軟件Labview的數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)勢,將高速計(jì)算和精度高電壓產(chǎn)生的板卡相結(jié)合,在只需少量硬件電路的情況下,快速產(chǎn)生出各種熱電偶在不同測量溫度和不同基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境溫度所對應(yīng)的熱電動(dòng)勢。如果擴(kuò)充板卡輸出通道,則可支持多路獨(dú)立輸出,可以同時(shí)對多路不同的熱電偶測量儀表進(jìn)行校準(zhǔn),提高熱電偶儀表的校準(zhǔn)效率。
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1總體設(shè)計(jì)
　　本方法需要使用的硬件系統(tǒng)主要由上位機(jī)、模.擬輸出板卡(具有16位的D/A轉(zhuǎn)化能力)和模擬運(yùn)算電路3部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。上位機(jī)將根據(jù)輸入?yún)?shù)(熱電偶種類、被測溫度和環(huán)境溫度)計(jì)算出16位D/A編碼,同時(shí)將計(jì)算出的16位D/A編碼送出,通過總線發(fā)送到板卡進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換得到0~5V電壓輸出,然后模擬運(yùn)算電路將此電壓轉(zhuǎn)化為與熱電偶測量儀表工作范圍和熱電偶類型相對應(yīng)的毫伏電壓輸出。
 
1.2.上位機(jī)軟件算法設(shè)計(jì)與系統(tǒng)誤差分析
　　熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢和溫差之間的關(guān)系不是嚴(yán)格的線性關(guān)系,以K型熱電偶為例,在0~600℃的溫度范圍內(nèi),大概有-1%的非線性誤差,相當(dāng)于存在6℃的誤差,所以必須對其非線性誤差進(jìn)行修正。首先將不同類型的熱電偶分度表擬合出函數(shù)關(guān)系即擬合函數(shù),然后計(jì)算機(jī)根據(jù)這個(gè)擬合函數(shù)計(jì)算出在設(shè)定的被測溫度和基準(zhǔn)接點(diǎn)溫度時(shí)熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢的大小,最后將數(shù)據(jù)送到板卡經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生對應(yīng)的毫伏電壓。其中所使用的擬合函數(shù)參照標(biāo)準(zhǔn)ASTME230。
本文所設(shè)計(jì)的熱電偶信號(hào)發(fā)生器能設(shè)定的被測溫度范圍為0~500℃,環(huán)境溫度范圍為0~70℃,適用于K型和J型2種熱電偶信號(hào)的產(chǎn)生。由于D/A轉(zhuǎn)換電壓的非連續(xù)性,在電壓轉(zhuǎn)換過程中必定會(huì)存在量化誤差。下面以16位的D/A用于K型熱電偶信號(hào)產(chǎn)生為例,分析量化誤差的大小。
　　通過查分度表可知,70℃和500℃所對應(yīng)的熱電動(dòng)勢分別為2.851mV和20.644mV。在70℃的.環(huán)境溫度下,0℃的被測溫度所對應(yīng)的電動(dòng)勢為-2.851mV,在0℃的環(huán)境溫度下,350℃的被測溫度所對應(yīng)的電動(dòng)勢為20.644mV。按照要求,所有的應(yīng)用情況產(chǎn)生的電壓都應(yīng)在-2.851~20.644mV的范圍內(nèi)，而J型熱電偶產(chǎn)生的電壓范圍為-3.650~27.393mV。為了能同時(shí)滿足2種熱電偶信號(hào)產(chǎn)生的要求,設(shè)定D/A產(chǎn)生的電壓經(jīng)過模擬衰減和調(diào)整后的輸出范圍為-4~30mV。理想的DAC編碼為
 
　　又由于DAC的輸入為整數(shù),所以要將計(jì)算得到的DAC編碼經(jīng)過就近取整后轉(zhuǎn)化為整數(shù),假設(shè)就近取整函數(shù)為
X=rand(x)。
DAC的12位編碼與輸出電壓的關(guān)系式為
X=rand[f1(t)]。
　　根據(jù)ASTME230(4),得到K型熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢和溫度的關(guān)系,即
 
　　通過計(jì)算得到,溫度絕對誤差最大值△Tmax(K)=0.0047℃,溫度絕對誤差最小值A(chǔ)Tmin(K)=-0.0047℃,即溫度絕對誤差小于+0.0047℃。
　　按照上述方法,如果將16位A/D應(yīng)用于J型熱.電偶信號(hào)的產(chǎn)生,設(shè)定被測溫度范圍為0~500℃,環(huán)境溫度范圍為0~70℃時(shí),通過計(jì)算可得,△Tmax(J)=0.0050,△Tmin(J)=-0.0050,即溫度絕對誤差小于±0.0050℃。
1.3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)
　　模擬運(yùn)算電路的主要任務(wù)是將從DA輸出的0~5V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的熱電動(dòng)勢。由于K型熱電偶對應(yīng)的熱電動(dòng)勢為-2.851~20.6443mV,而J型熱點(diǎn)偶對應(yīng)的熱電動(dòng)勢為-3.650~27.393mV,為了使同1個(gè)模擬電路產(chǎn)生2種不同的熱電偶信號(hào),將最終輸出電動(dòng)勢的范圍設(shè)定為-4~30mV,因此模擬運(yùn)算電路需要提供的放大倍數(shù)為0.0068倍,然后再提供-4mV的偏置,即可得到所需要的熱電動(dòng)勢。
　　本文選用了1種單級放大電路,可以實(shí)現(xiàn)0.0068的增益和-4mV的偏置,同時(shí)提供增益和偏置的微調(diào),并且在調(diào)整偏置的過程中,對增益的影響控制在0.001%以下。電路如圖4所示。
 
　　電路的總增益為電阻衰減網(wǎng)絡(luò)的放大倍數(shù)和后級同向放大電路的放大倍數(shù)的乘積。
　　選取合適的阻值并計(jì)算得Amin=0.0060,Amax=0.0078,通過調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)0.0068倍的增益。△Vmax=-4.9mV,通過調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)-4mV的增muEx益調(diào)整。同時(shí)增益對輸出增益產(chǎn)生的最大誤差為△Amax=9.79x10^-6”,表示偏置的調(diào)整對增益的影響很微小,符合設(shè)計(jì)要求。
2測試數(shù)據(jù)及分析
2.1測試方法
　　在進(jìn)行0點(diǎn)和增益校準(zhǔn)之后,選擇其中的一路進(jìn)行測試。設(shè)定環(huán)境溫度為0℃,選擇熱電偶為J型,將測量溫度分別設(shè)定為0~500℃,間隔20℃。使用六位半萬用表HP34401A對輸出進(jìn)行測量,并記錄數(shù)據(jù)。
2.2測試數(shù)據(jù)
　　測量數(shù)據(jù)記錄如表1所示。
 
　　相對誤差。實(shí)際的最大絕對溫度誤差為+0.033℃。相對誤差在0點(diǎn)附近比較大,約0.098%,隨著輸出電壓的升高而減小,相對誤差最終達(dá)到0.012%左右。
3結(jié)語
　　本設(shè)計(jì)能在允許的誤差范圍內(nèi)輸出與K型和J型熱電偶溫差相對應(yīng)的溫差電動(dòng)勢,操作簡便,輸出電壓做到實(shí)時(shí)更新,能很方便地用于熱電偶測量儀表的校準(zhǔn)。通過改變模擬運(yùn)算電路的偏置電壓和增益可以使本電路應(yīng)用于不同的熱電偶和不同的溫度范圍,并且可以通過選用支持高位數(shù)D/A轉(zhuǎn)換的板卡來達(dá)到高的精度。同時(shí),環(huán)境溫度的改變會(huì)使0點(diǎn)和增益產(chǎn)生漂移,因此,本電路在使用前需要校準(zhǔn),并且要保證環(huán)境溫度在使用過程中保持相對穩(wěn)定。