黃 毅,周漢義,陶慶棟,李 云
(合肥工業(yè)大學(xué) 材料工程系,安徽 合肥 230009)
熱電偶是一種常用的溫度傳感器,是利用熱電效應(yīng),并根據(jù)冷熱端溫度差產(chǎn)生的熱電動勢測量溫度,且具有測量精度高、構(gòu)造簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在測溫儀表中得到了廣泛應(yīng)用。通用的冷端補(bǔ)償方法由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,噪聲大,線性度差會對測量結(jié)果造成較大的影響。
如圖1 所示,其中R1,R2,R3的阻值相等,用溫度系數(shù)近似為零的錳銅制造,即其阻值不隨溫度的變化而變化,而Rt用熱電阻PT1000,其與熱電偶冷端處于同一溫度場中,其阻值隨溫度變化而變化,溫度升高,阻值增加當(dāng)冷端溫度為零時(shí)Rt=R3=R2=R1,可使得電橋的輸出為零,若冷端溫度升高,會使得熱電偶的熱電勢減小而帶來測量誤差,但此時(shí)PT1000 的阻值也會隨溫度升高而增加,則補(bǔ)償電橋失去平衡,輸出值不為零,電橋輸出量的變化值與熱電偶熱電勢變化量相等,且二者變化方向相反,則二者相互抵消使總輸出量的大小不隨冷端溫度的變化而變化[1]。
圖1 電橋補(bǔ)償法示意圖
實(shí)驗(yàn)過程中用毫伏電壓發(fā)生器模擬K 型熱電偶熱電勢,在電路板上完成A/D 轉(zhuǎn)換后,通過MCU 上傳上位機(jī),由上位機(jī)將A/D 值換算為溫度并顯示[2]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。
表1 電橋法數(shù)據(jù)記錄
這種方法對R1,R2,R3的精度要求很高,且V+的噪聲,溫漂要小,穩(wěn)定性要高,為達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求需要使電橋電流為一個(gè)合適值,調(diào)試難度高。在進(jìn)行多路測量時(shí),需要布置多路裝置,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[3]。
該方法由PT1000 測量冷端溫度,通過A/D 轉(zhuǎn)換后,由MCU 傳給上位機(jī)將電阻值通過軟件換算成電壓值加到熱電偶的電壓上再通過補(bǔ)償塊消除冷端溫度變化帶來的影響,從而進(jìn)行補(bǔ)償[4]。
此方法進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)闹饕b置是一塊導(dǎo)熱性能良好的鋁塊,其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 補(bǔ)償塊示意圖
在長方體鋁塊的橫向中軸線上依次等距打出3 個(gè)通孔,并沿橫向中軸線切開。在之后的接線過程中將兩根補(bǔ)償導(dǎo)線壓如左右兩個(gè)通孔,中間的通孔壓入熱電阻PT1000。在壓入過程中為保證熱傳導(dǎo)的均勻性,熱電阻和補(bǔ)償導(dǎo)線的直徑要一致且與補(bǔ)償塊充分接觸,絕緣材料要相同。
如圖3 所示,熱電偶通過補(bǔ)償導(dǎo)線接到儀表箱內(nèi)的補(bǔ)償塊之后再通過Cu 導(dǎo)線連接箱內(nèi)電路板。補(bǔ)償塊與熱電偶冷端處于儀表箱內(nèi)。PT1000 用于測量儀表箱內(nèi)溫度To,Tc是儀表箱外的環(huán)境溫度[5]。
圖3 補(bǔ)償塊法示意圖
由于程序設(shè)計(jì)要求,在未接補(bǔ)償電路時(shí)上位機(jī)顯示溫度T1為A 處的實(shí)際溫度Tr加上箱內(nèi)的溫度Tb,即T1=Tr+Tb。儀表在實(shí)際使用當(dāng)中溫度箱內(nèi)溫度會產(chǎn)生變化要避免箱內(nèi)溫度的變化對實(shí)際測量溫度的影響,設(shè)計(jì)接入補(bǔ)償電路[6]。
當(dāng)儀表箱內(nèi)溫度升高,會使上位機(jī)顯示溫度T1隨箱內(nèi)溫度升高,在加入補(bǔ)償電路后,補(bǔ)償塊在箱內(nèi)受熱均勻,補(bǔ)償導(dǎo)線兩端與PT1000 處于同一溫度場中,補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)生的電壓可以抵消掉冷端溫度變化帶來的影響,保證了測量值不受箱內(nèi)溫度變化的影響,只與箱外環(huán)境溫度Tc有關(guān),即。
實(shí)驗(yàn)過程與電橋法實(shí)驗(yàn)過程類似,用毫伏電壓發(fā)生器模擬K 型熱電偶熱電勢,在電路板上完成A/D 轉(zhuǎn)換后,通過MCU 上傳上位機(jī),由上位機(jī)將A/D 值換算為溫度并顯示[8]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。
表2 補(bǔ)償塊法數(shù)據(jù)記錄
從上表可看出,該補(bǔ)償方法具有較高的準(zhǔn)確度,誤差在1 ℃以內(nèi)且線性度好,在進(jìn)行多路測量時(shí)只需在補(bǔ)償塊上多加幾組通孔即可,結(jié)構(gòu)簡單可滿足工業(yè)應(yīng)用需求。
根據(jù)表1 和表2 中的數(shù)據(jù),文中以輸入電壓為橫坐標(biāo),誤差值為縱坐標(biāo)分別做出兩種方法在不同溫度下的誤差曲線,如圖4 和圖5 所示。
圖4 補(bǔ)償塊法誤差曲線
圖5 中曲線可看出,電橋法的線性度較差,由于熱電偶的輸入輸出特性和補(bǔ)償電橋的輸出特性均是非線性特性且不重合,故在補(bǔ)償范圍內(nèi)只有在兩條曲線相交點(diǎn)對應(yīng)的冷端溫度下能完全補(bǔ)償即無補(bǔ)償誤差,其他冷端溫度下只能部分補(bǔ)償,存在補(bǔ)償誤差。在實(shí)際使用當(dāng)中需要使用更復(fù)雜的電路來減少由于非線性所產(chǎn)生的誤差[9]。
圖5 電橋法誤差曲線
從圖4 補(bǔ)償塊法的4 條曲線可看出,其最大誤差不超過1 ℃且線性較好,能更準(zhǔn)確地達(dá)到測量要求[10]。
本文所述基于熱電偶的測溫儀表冷端補(bǔ)償方法電路簡單、穩(wěn)定、噪聲小,且線性度好。其在進(jìn)行多路測量時(shí)只需在補(bǔ)償塊上多打幾個(gè)通孔將補(bǔ)償導(dǎo)線壓入其中即可,在控制成本的前提下保證了測量的精度,達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。
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