热电偶线性温度测量装置

　　1　引　　言

　　在工业生产和科学研究的温度测量中热电偶是使用最广泛的一种测温仪表,测量范围大、性能稳定、安装使用方便是热电偶的主要特点,但热电偶输出与温度之间的非线性特性给应用带来诸多不便,虽然采用了一些线性化的方法,如折线法分段线性化修正热电偶的非线性[1],但测量误差仍然可观。本文论述了一种热电偶线性温度测量装置,该装置先精确测出热电偶的热电势Et,再由Et的值查分度表得出温度值,因此,实现了真正意义上的线性化。另外,该装置实现了热电偶全温度分度范围的温度测量,且可获得较高的测量精度。本装置采用K分度热电偶,其测温范围为-270~+137 2℃,在不计热电偶测量误差时,在-100~+1 372℃范围内该装置的测量误差为±1℃。

　　2　整机结构及工作过程

　　整机结构如图1所示,由冷端温度补偿及信号处理单元、放大单元和数据采集及处理单元等组成。使用环境温度在0~50℃内。

　　2.1　冷端温度补偿及信号处理

　　冷端温度补偿及信号处理单元由热电偶、AD590M、标准电阻R1~R3、多路模拟开关U1和U2等组成。该单元主要完成冷端温度补偿、提供标准毫伏校准信号和对Et负热电势信号处理。由图1可知,AD590M的输出电流I经多路模拟开关U1由3个支路分别输出,为了提高测量精度,电路设计时让3个支路负载电阻相同,即R1=R3+R5=R2+R4=1kΩ。首先,单片机控制多路模拟开关U1和U2的通道IN0导通,这时,AD590M的输出电流I流过标准电阻R1形成压降U01,U01经多路模拟开关U2的通道IN0送至放大单元,作为冷端温度补偿信号输入,可计算出AD590M的输出电流I和冷端温度的准确值。其次,多路模拟开关U1和U2的通道IN1导通,AD590M的输出电流I流过标准电阻R2形成压降U02,U02作为标准毫伏电压信号,经U2的通道IN1送至放大单元,对放大单元和采样通路进行校准。随后多路模拟开关U1和U2的通道IN2导通,热电偶的热电势Et和U03之和(Et+U03)经U2的通道IN2送至放大单元,U03是AD590M输出电流I流经标准电阻R3形成的毫伏信号,其值大于或等于热电偶测量最低温度时对应的热电势的绝对值,这样,在全分度范围内,Et+U03就成为正极性的毫伏信号。对于K分度热电偶在-270℃时,热电势为-6 458μV,环境温度0℃时I=273.2μA,让U03= 6 458μV,计算得R3=23.64Ω。最后,多路模拟开关U1的通道IN2和U2的通道IN3导通,U03送至放大单元。这样,在单片机的控制下,U01、U02、Et+U03、U03分别送至放大单元,由数据采集及处理单元对信号采样处理。

　　2.2　放大单元

　　放大单元由运算放大器IC1~IC5、多路模拟开关U3等组成,其中IC1、IC2、IC3组成第一路放大器,IC1、IC4、IC5组成第二路放大器,2路放大器共用第一级。为了提高输入阻抗和减小零点漂移的影响,放大器的第一级是跟随器,IC1、IC2、IC4均选用斩波稳零式高精度运算放大器ICL7650[2],IC3、IC5选用OP07。当U1通道IN0导通时,U3通道IN0也导通,因此,U01由第一路放大器放大;当U1通道IN1、IN2导通时,U3通道IN1导通,因此,U02、Et和U03由第二路放大器放大,设置两路放大电路是为了满足不同放大倍数的要求。2个放大电路的放大倍数分别为30.94μV/μV和165.33μV/μV。实际测试表明,放大倍数为800时性能仍然稳定。