基于Δ-Σ型转换器的热电偶温度测量模件

　　0　引言

　　在水、火电厂等工业领域，温度是众多监控参数中需要实时监测的重要参数之一，它不仅能反映机组是否正常运行，还是提供机组运行控制的重要依据[1]。目前，发电厂温度测量主要通过热电阻和热电偶完成。热电阻主要用于中低温区温度测量，热电偶一般用于高温区温度测量。水电厂需要监控的温度值相对较低，目前大多采用热电阻测温。国网电力科学研究院研制的MB系列智能可编程逻辑控制器热电阻测温模件在水电厂测温中应用广泛[2]。对于火电、核电等应用场合，高温参数远多于低温参数，且高温参数的重要级别也比低温参数的重要级别高，此时就需要用高精度的热电偶进行测温。因此，研制了基于Δ-Σ型A/D转换器的高精度热电偶温度测量模块，填补了MB系列智能可编程逻辑控制器在热电偶温度测量领域的空白，可以广泛应用于电厂的温度测量，具有较大的经济效益。

　　本文介绍热电偶温度测量系统的软硬件设计方案，并结合试验数据进行分析。

　　1　总体方案设计

　　热电偶温度测量如图1所示。

　　热电偶利用塞贝克效应将被测温度转换为电势。当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端(测量结合点)和冷端(参考结合点)温度有关[3]。

　　热电偶虽然具有结构简单、测温范围宽、制造容易、使用方便等优点，但由于热电偶输出电势极其微弱、冷端温度误差以及输出电势与被测温度的非线性问题，测量比较困难，易引起较大测量误差。

　　针对热电偶的非线性问题，使用高阶等式对热电偶的特性进行建模的方法最为精确，但这种方法计算量最大。本模件设计采用基于软件的补偿方案，将热电偶电压与其温度对应的查找表存储在存储器中，使用表中两个最近点间的线性插值来获得其他温度值。这种方法测量精度高，且计算量小。冷端补偿采用冷端温度实时测量计算修正法，将参考接合点补偿和信号调理加以独立，通过热电阻测量冷端温度，然后对热电偶电压进行补偿，使温度测量更灵活、更精确。

　　由于热电偶电压信号比较微弱，一般为毫伏级，其电压变化幅度仅为微伏级，热电偶引线较长，引线上的噪声可轻松湮没微小的热电偶信号，因此信号调理比较复杂。本模件采用具有程控放大和噪声抑制功能的高精度Δ-Σ型A/D转换器，配合前置滤波电路，可以消除带外噪声、1 MHz以上射频干扰和50Hz/60Hz工频干扰。

　　2　基于Δ-Σ型A/D转换器的硬件电路设计

　　硬件电路的设计关键在于信号的调理和转换。模件硬件结构如图2所示。