热电偶特性数字线性化新方案

　　1　引言

　　热电偶作为测温元件,其结构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高,可就地测量和远传。在工作时,只要与显示仪表配合即可测量气体、液体、固体的温度。热电偶可以用来测量-200~1600℃范围内的温度,有些热电偶甚至可测2000℃以上温度。所以热电偶是使用最广泛的测温元件之一。但是其输出热电势与温度之间的关系为非线性特性,且其非线性程度较为严重。以K型镍铬—镍硅为例,采用多项式形式表示输出热电势与温度之间的关系,则有〔1〕:

　　由以上公式可以看出,热电偶特性曲线非线性严重。因而为了保证一定的测量精度,在实际使用中应进行线性化处理。

　　2　线性放大电路

　　热电偶输出热电势线性放大电路框图如图1所示。实验过程中,选择K型分度号进行实验,热电偶输出热电势由电位差计提供,未考虑冷端温度补偿。线性放大电路的输出为

式中:K为线性放大电路的放大倍数; Etmax为测温范围上限时热电偶输出热电势; Etmin为测温范围下限时热电偶输出热电势; Et为温度为t时热电偶输出热电势。

　　3　线性化技术

　　关于热电偶特性的非线性校正方法主要有以下两类:模拟线性化、计算线性化。模拟线性化是指在模拟电路部分完成线性化,以折线逼近式线性化器为代表;计算线性化是对输入信号经转换所得到的数字量进行计算(内插)或查表来实现线性化,这种方法多为智能仪表所采用。模拟线性化又可分为开环式补偿法、反馈式补偿法。因热电偶特性存在高次非线性项,增益控制式补偿法不易实现。实现热电偶特性模拟线性化的电路———折线逼近式线性化器通用性较强。除了被应用于热电偶特性线性化外,还被广泛应用于其它敏感元件非线性特性严重的检测仪表中进行仪表特性的线性化。但在实际应用中为了提高精度和扩大测量范围,折线逼近式线性化器必须增加段数,导致测量线路复杂,调试困难增加。

　　查表线性化即将模拟电路输出电压与被测量之间的关系按一定的排列形式存入,用测得的电压值,查得相对应的被测量数值。查表过程一般是借助于微处理器靠软件搜索来实现的。查表法具有方便、快捷的特点,因而被智能仪表广泛采用。但是对于非智能仪表来说,因其不具备微处理器,查表线性化方法受到限制。另外,模拟电路输出电压与被测量之间的关系表格占据的内存较多,这对于一个内存量本来就不多的智能仪表来讲也是一个不容轻视的问题。从这个角度讲,普通智能仪表有限的内存量限制了查表线性化在智能仪表中的应用。文献〔2〕采用全压缩存表并分区搜索的方法实现查表线性化。但其实现软件相对繁琐,实时性降低。