基于LabVIEW的热电偶数字化实时补偿

　　0　引言

　　热电偶是一种应用极为广泛的测温仪表,具有结构简单、使用方便、能够远距离传送和多点测量、便于检测和控制等优点[1]。但由于热电偶热电势和温度之间的非线性以及冷端温度的不稳定,影响了测温精度,需要进行实时补偿。传统的补偿方法主要有以下两种:一是基于硬件的补偿,使用模拟电路修正热电偶的冷端和非线性误差;二是基于软件的补偿,通过微机进行拟合或插值实现修正[1-3]。硬件补偿电路复杂,成本较高,精度不够;普通的软件补偿对工作人员编程能力要求较高,计算量大,实时性不是很好。因此,传统补偿方法在很多场合已经不能适应现代测温的要求。随着测试技术的不断发展,以LabVIEW为主要软件平台的虚拟仪器技术[4]和传统的测量技术结合越来越紧密。本文以工业生产中应用较多的K型热电偶为例,介绍了基于虚拟仪器技术的热电偶实时补偿的实现方法。

　　1　热电偶非线性及冷端补偿方法

　　1. 1　热电偶测温的原理[1]

　　电偶测温的基本原理是基于金属导体的热电效应。两种不同的导体或半导体A、B构成闭合回路,如图1所示,当两端温度不同,在闭合回路中就会产生热电势,这种现象就称为热电效应。

　　根据电磁场理论可以得到

　　当热电偶材料确定后,热电偶输出的热电势就是两个温度的函数差,即

　　1. 2　非线性补偿法

　　热电偶非线性补偿方法主要有以下两种方法:一是采用模拟线性化的方法,即基于硬件,使用模拟电路来修正热电偶响应的非线性;二是采用软件方法进行补偿,软件的方法又可分为多项式拟合和根据分度表进行线性插值。

　　基于硬件的补偿电路复杂,其准确性决定于采用近似修正的阶数,补偿精度不高。基于软件的多项式拟合,机器对多阶多项式处理的时间长,精度也不是很高,对于要求快速准确测温的场合,效果不是特别理想。线性插值通过建立分度表,以查表的方法,来提高效率,这种查表的方法比线性近似值拟合的方法更有效而且更准确,但会占用较多的内存。同时用常用软件比如汇编、C语言等对工程人员的编程能力提出了更高的要求。

　　1. 3　冷端补偿法

　　由式(2)可知,热电偶所产生的热电势不仅与被测温度有关,而且也与冷端温度有关。为了使热电偶回路中的电势正确代表被测温度T,T0必须保持恒定。测量中经常使用的分度表都是以冷端为0℃作为先决条件的。因此在使用查询分度表测温时,冷端温度必须恒定在0℃。但在实际测温时,因热电偶的长度受到一定限制,参考端放置在设备附近的室温环境中,受设备和环境温度影响很大,不仅难以保持0℃,而且往往是波动的,这样就会造成测量误差,因此必须进行冷端补偿。目前常用的热电偶冷端补偿方法有冰点槽法、补偿导线法、补偿电桥法等[1-3]。这些方法要么只能在实验室实现,要么不能实时补偿,精度不够,要么电路复杂,成本较高,已经不能适应现代测温的要求。