提高测温系统数据精度的方法及其应用

    1　引　言

    工业上使用的测温手段有很多,然而由于环境、人为等诸多因素的干扰,测量结果与实际值间大多都存在较大的误差。在金属材料不平衡冷却温度场测试需要精确测量值的场合,这些手段往往就不能胜任了。为了减少误差量,笔者从硬件和软件的设计着手,对镍铬镍硅热电传感器测试系统的测试方法进行了改进。经验证,该方法能够将温度测量精度提高到0.5℃,且性价比较高,能够满足大多数温度测试场合对测量值精度的要求。

    2　硬件设计方案

    硬件设计方案主要从热电偶的参考端温度补偿、热电偶热电特性曲线的线性化和线性化补偿电路的设计方案3个方面着手,阐述了如何改进硬件设计方案以提高测温系统的数据精度。

    2.1　热电偶温度补偿

    镍铬镍硅热电偶是一种廉价的金属热电偶,性能稳定,抗氧化能力强,长时间工作温度为900℃,短时间工作温度为1 200℃,热电势较大,线性度好,测量范围宽,在工业上应用很广泛[1]。其热电势大小与热电极材料和2接点的温度有关,以热电偶为传感器来测量温度,参考依据是热电偶的分度表,但分度表是以热电偶参考端的温度等于零为条件的,而且参考端的温度受环境温度的影响不可能自然地保持0℃或某一常数,因此,要测出实际温度值就须对参考端进行温度补偿。

    用E_AB(T,0)表示当测试端温度为T、参考端温度为0℃时热电偶回路中产生的热电势。而实际测试中参考端温度Tn>0℃,则热电偶输出的热电势将比E_AB(T,0)小,其值为

E_AB(T,T_n) = E_AB(T,0)-E_AB(T_n,0)           (1)

    实测温度值比标准值要小EAB(Tn,0),这个值就是应该补偿的部分。热电偶的参考端补偿方法有多种:补偿热电偶法、电桥补偿法和温敏元件自动补偿法等。由于环境温度是不断变化的,因而从测量的精度考虑,宜采用自动补偿法。自动补偿法利用温敏元件产生的热电势对参考端进行温度补偿。经以上分析,所设计参考端温度补偿电路如图1所示。

    电路中使用的温敏元件是二端式半导体集成温度传感器AD590,AD590是一种恒流源式温度传感器,在它的两端加上一定的工作电压后,其输出电流就会随温度的变化而变化,线性电流输出为1μA/℃。由于它是一种电流型的温度传感器,具有较强的抗干扰能力,从而可以大大提高温补精度。此外,由线性运放OP-07和4只精密电阻组成减法器,用精密电压基准MC1043来提供2.5 V的电压参考。