基于数值计算的热电偶测温

　　0　引言

　　热电偶作为一种广泛应用的测温元件,是利用热电效应(或塞贝克效应)工作的。当两种不同的导体A和B组成闭合回路时,若两端结点温度不同(设为t和t0),则回路内将产生热电动势EAB(t, t0)。热电势的大小只与热电偶导体的材料以及两端的温差有关,而与热电偶导体的长度、直径等无关。根据中间温度定理律有：

　　式中:E_AB(t, t0)为回路热电势,两端温度为t, t0;E_AB(t,0)为回路热电势,两端温度为t,0;E_AB(t0,0)为回路热电势,两端温度为t0,0。

　　若令t0=0(称为冷端或参比端),可以建立热电势E_AB(t,0)与温度t的单值对应关系,即热电偶的分度表。

　　传统的热电偶测温方法,是将冷端置于0℃的恒温槽中,通过测量E_AB(t,0)的值,再查分度表反求出被测温度t.由于让冷端始终保持为0℃有时比较困难,实际应用中常常将冷端置于温度已知的恒温槽内,或者在冷端串联一温度补偿电桥,并通过硬件电路来补偿因冷端温度变化导致的热电势变化,达到与前者同样的测量效果。

　　上述常用的热电偶测温方法,由于要进行冷端恒温处理或温度补偿,要么测量装置复杂,要么硬件电路复杂,调整困难,并且要求电路参数的稳定性非常高,不能随时间和温度变化,否则测量误差就很大。为了简化硬件电路,保证测量精度,提出以下一种基于数值计算的、软件化的测温方法。

　　1　软件化测温的原理

　　如前所述,由于让冷端保持为0℃的恒温比较困难,也使测量装置变得复杂,因此直接测量EAB(t,0)是比较麻烦的,而且也没有这个必要。

　　根据式(1)可得：

　　如果已知E_AB(t, t0)和E_AB(t0,0),则依据式(2)就可计算得到EAB(t,0),再通过反求分度表即可得到待测的温度t.由于这种方法不需要冷端恒温或温度补偿装置,可以大大简化硬件电路,但需要通过数值计算的方法来实现温度测量,故称为软件化测温。

　　事实证明,直接测量EAB(t, t0)和EAB(t0,0)不仅是可能的,而且也十分方便,可以获得很高的精度。其中,EAB(t, t0)是热电偶的冷端(温度为t0)不做任何处理时直接测量获得的热电势;EAB(t0,0)为热电偶工作端为t0、冷端为0℃时的热电势,这个值可以通过先测量t0再查分度表来获得。

　　2　软件化测温的步骤

　　2.1　EAB(t,t0)的测量

　　由于热电势信号比较微弱(mV级),检测时一般需要进行放大处理。在图1所示电路中,EAB(t, t0)经过PGA电路(可编程增益放大器)放大后,得到UAB(t, t0),其幅值范围是0 ~5_·0 V,这样便于后续的A/D转换和微处理器数据采集工作。