网络接口高精度热电偶设计与误差分析

　　0　引言

　　要提高热电偶的测量精度,必须对热电偶进行冷参考结点补偿、热电势放大和线性化。热电偶的冷参考结点补偿常采用冷端温度补偿器、PN结温度传感器和集成温度传感器等进行补偿;而热电偶热电势的放大常用高精度运算放大器;热电偶的线性化根据热电势与温度的拟合多项式,可以采用反馈电路进行线性化,也可以采用计算机进行线性化。随着网络技术和接口芯片的发展,测控技术开始向网络测控方向发展。这就要求传感器必须具有网络接口。文中对热电偶的冷参考结点补偿、线性化及网络接口进行了设计,以提高热电偶的测量精度和便于构成热电偶温度测控网。

　　1　热电偶冷参考结点补偿及热电势放大

　　热电偶的热电势标准数据是相对于冷参考结点(冷结点)温度处于0·00℃,可以用碎冰使冷参考结点保持为0·00℃,但这样使用很不方便。当冷参考结点温度不为0·00℃时,会产生测量误差,要消除该测量误差,需要等效地加上相当于0·00℃时的冷参考结点的热电势进行补偿[1-2]。

　　K型热电偶在测量范围内性能优于E、J和T型热电偶。K型热电偶在常温时的输出特性是以25℃为中心,温度系数为40·44μV/℃.因此,可以用一个温度传感器产生相当于该温度系数的电压,此电压与K型热电偶的热电势相加,即可对K型热电偶进行冷参考结点补偿。

　　K型热电偶在0·00℃时热电势为0·00 mV,在1 200℃时热电势为48·828 mV.根据后续处理需要, 0·00~1 200℃范围的热电势需放大为0~2·4 V,因此放大倍数为(2·4×1 000) /48·828,即49·152。放大电路如图1所示,R1、C1组成低通滤波器,运放OP07组成正输入端反馈放大电路,调节RP1,使反馈回路的反馈电阻为48·153 kΩ,这样放大倍数为[1+(RF+RP1) /R2],即49·153。

　　TP06是一个单片集成温度传感器,它能够输出与温度成比例的脉宽调制波(PWM)。脉宽调制波的高低电平宽度的比TH/TL与温度的关系如式(1)所示。在0~70°C温度范围内精度为±0·1°C.

　　把TP06置于热电偶的冷参考结点处,用单片机测出TP06输出的PWM波的高低电平宽度就可以测出冷参考结点的温度。则冷参考结点需要补偿的电压为40·44μV/℃×TCJ℃(μV).该电压与A/D所得温度为T℃时的标度变换后的热电势相加即为补偿后的热电势。

　　2　热电偶线性化

　　热电偶的热电势与温度关系用如下拟合多项式近似表示,近似精度与多项式的阶次有关。

式中:T为温度,℃;E为温度为T时的热电势,mV.