基于多种类型热电偶的分层测温电路设计

摘要:针对航天领域测温范围差异大、环境复杂以及精度要求高等需求，设计了一种基于多种类型热电偶的分层测温电路。根据不同类型热电偶的测温范围以及特点,选用了T型、K型和S型3种热电偶。首先,分别设计了与3种热电偶相对应的冷端补偿方案,并对输出信号进行放大、滤波以及过压保护，以提高电路的抗干扰能力。利用采集量化电路选取测温通道,并将热电偶输出信号进行数模转换。采取多项式分段线性拟合的方式对热电偶进行非线性校正,并通过试验计算测温电路的误差精度。T型热电偶通道测温范围为-50℃~300℃,K型热电偶为-20℃~1100℃,S型热电偶为0℃~1600℃。结果表明,3种类型热电偶测量精度均满足±0.2%F.S。
0引言
　　T型热电偶是最佳的测低温廉金属热电偶，测温范围是-200℃~350℃具有灵敏度高、稳定性好及温度近似线性等优势。在测量低温的条件下,比K型热电偶精度更高。K型热电偶是常见的廉金属热电偶,具有线性度良好、热电动势大及灵敏度高等优势，具有很宽的测温范围:-200℃~1200℃。S型热电偶属于贵金属热电偶,具有稳定性好、精度高等优势，其测温范围为0℃~1600℃。常见测温系统通常采用单种类型热电偶,但每种热电偶测温范围、适用环境具有较大的差异,使得测温系统的使用范围受到很大的限制。并且采用单种类型热电偶进行全量程范围温度的测量,无法达到最佳的精度。本文同时选用这3种不同类型的热电偶,可以根据测量温度以及范围的不同选择适合的通道。这种分层测温的设计,不仅能够提高测温的精度,最大化地利用不同类型热电偶的优势和特点,也能够利用廉金属热电偶在某些条件下替代贵金属热电偶,从而节省了成本。
　　本设计针对T型、K型、S型这3种类型的热电偶,分别设计了相应的信号调理模块和采集量化模块,并对热电偶进行线性拟合等处理,实现了对热电偶信号的调理和采集。
1总体设计方案
　　每种热电偶设有92个通道。其中T型热电偶测温范围均为-50℃~300℃,K型热电偶测温范围均为-20℃~1100℃,S型热电偶测温范围均为0℃~1600℃。信号调理模块主要是针对热电偶输出信号进行冷端补偿、信号放大、滤波以及过压保护等处理。采集量化模块用于热电偶测温通道的选择、并将模拟信号转换为对应的数字信号，再通过上位机软件进行采集和处理。设计原理如图1所示。

2硬件电路设计
2.1冷端补偿电路
　　热电偶是通过测量热端和冷端的温差,输出相应的电势，实现测温功能。但是对于大多数测温装置而言,始终保持冷端为0℃很难实现，因此实际应用中,需要对热电偶进行冷端补偿,从而使得其输出为稳定状态凹。
1)采用AD8495的冷端补偿电路
　　AD8495为一款针对于K型热电偶的仪表放大器,其集冷端补偿和放大功能于一体,具有精度高、冷端补偿范围广等特点。其固定增益为122.4,用于放大热电偶输出的微小信号,提供5mV/℃的线性输出。此外,AD8495具有很高的共模抑制比,从而可以有效抑制共模噪声干扰3]。
　　图2为K型热电偶冷端补偿电路,在输入正端串联一个1Mn的电阻并接地,能够对热电偶进行开路检测。为.了防止长引线热电偶所产生的高频噪声随有效信号一起进入放大电路,进而导致有效信号受到干扰。需要在热电偶与AD8495之间接入RFI射频滤波电路,提高电路的抗干扰能力![4]如图2左端所示。

　　此外,由于热电偶的响应速度较慢,因此需要进行滤波处理。在放大器输出信号后接入二阶低通滤波电路,消除口电路中串扰噪声的影响,如图3所示

2)采用AD590的冷端补偿电路
　　T型与S型热电偶暂时没有典型的专用冷端补偿仪表放大器，因此可以添加一个随温度线性变化的补偿电压U.来实现。AD590是一款集成两端感温电流源,其电流与绝对温度成比例输出:1μA/℃的。当处于完全补偿状态时,有:

　　式中:Ic为AD590产生的电流，V。由温度补偿式带隙基ef2准电压源AD580提供，ea(t,Rr)为参考节点电势。当补偿AB电压U.随温度的变化率与热电偶在该温度(工作温度的中心值)下的微分热电势一致时,即可完成补偿。即对U。进行求导,得到式：

　　例如,设定热电偶工作环境为0℃~50℃，则选取25℃对其进行完全补偿。其中,AD590在25℃时输出电流为298μA,参考电压为25V。T型热电偶在25℃下，输出热电势为0.992mV,微分热电势率为4X10-5V/°C。S型热电偶在25℃下输出热电势为0.143mV,微分热电势为6×10^-6“V/℃。联立式(3)、(4)并分别带入相关数据，即可算出2种热电偶冷端补偿电路中R9、R10以及R11的阻值[8]。
　　此外,热电偶经过冷端补偿后还需要通过AD8227对信号进行放大,其增益G=5+80K/(R12+R13)。同K型热电偶调理电路一样,T型和S型热电偶也需要接入射频滤波电路和二阶低通滤波电路,如图4所示。

2.2增益调整电路
　　热电偶输出信号经过冷端补偿以及放大之后,需要进行采集,但是此时的电压范围和A/D变换的输入电压范围不一定能够匹配,因此需要进行增益调整[9]对于K型热电偶而言,AD8495的增益是固定的，需要分压之后再进行模数信号的转换,如图5所示。对于T型和S型热电偶而言,可以根据测温范围以及所采用的A/D转换芯片输入电压范围进行计算,确定R14和R15的阻值已达到预设的增益。

2.3过压保护电路
　　为了避免调理电路出现超量程而使得后续采集电路损坏，需要在采集电路前接入过压保护电路。V;表示热电偶调理电路的输出信号，V0与采集电路模块相连，如图6所示。

2.4信号采集电路
　　采样量化电路的主控制器FPGA通过控制模数转换芯片,对输入的模拟信号依次采样量化,主要由模拟开关和模数转换器ADC组成。模拟开关电路主要负责信号采集通道的切换。信号进入模数转换电路前需要通过分压跟随和抗混叠滤波电路，如图7所示。分压跟随电路用于模数转换器输入信号缓冲作用，抗混叠滤波电路可以有效地抑制反冲噪声和带外噪声。

3多项式分段线性拟合.
　　热电偶在测试过程中,通过读取其输出的热电势,去反推温度,实现测温功能。例如可以使用二分法去查找对应热电偶分度表的方法得到对应的温度。鉴于分度表的间隔是整数,在大多数情况下,无法正确找到对应的温度,因此还需配合线性方程一起使用。但是热电偶的热电势和温度的关系在全量程范围内并不是呈线性关系的,其响应曲线的斜率会随着温度而变化，从而会导致热电偶的输出电压与实际测得的温度存在一定的偏差。并且,对于标准的热电偶而言,若型号相同,其误差基本是恒定的。因此,对热电偶进行非线性补偿具有必要性和可行性[12]。利用最小二乘法得到不同温度段的“温度热电势”函数,并将热电势带入对应的方程中,反推得到温度。这种方法适合于热电势率比较稳定的热电偶类型，从而可以将温度分为较少的几个区段去拟合[13]。
　　NIST提出了标准热电偶分度表和各类型热电偶“温度-热电势”变换函数的高阶多项式系数及变换函数反函数的系数。这种方式相对于最小二乘法而言,精度更高,并且适用性更广。其温度与热电偶输出电压的关系式为:

　　其中，E为热电偶输出电压,dN为多项式系数[14]。
3.1K型热电偶
　　K型热电偶温度和输出电压曲线在0℃以下线性度存在明显的偏差。因此,需要对温度进行分段拟合。经过多次尝试,将温度分为3段:-270℃~0℃、0℃~500℃和500℃~1372℃。并分别进行拟合,结果表明,其线性度均可达到0.9999。
　　K型热电偶的N多项式系数如表1所示,单位为mV。代入系数可以得出输出电压一温度函数:


3.2T型热电偶
　　与K型热电偶类似,T型热电偶在全量程范围内温度和输出电压也并不是呈完全线性，因此也需要进行分段拟合数。将温度分为2段:200℃~0℃和0℃~400℃。其多项式系数如表2所示。

3.3S型热电偶
　　S型热电偶温度分为:0℃~250℃、250℃~1200℃和1200℃~1600℃。S型热电偶多项式系数如表3所示。

　　由于器件及补偿误差等因素,无法保证电路的绝对线性。使得实际测量结果和线性拟合曲线存在一定的误差,并且该误差并不是恒定为正或者为负。因此,引入一个校准系数b。b为实际测量结果曲线和理想拟合线性曲线最大正误差b1和最大负误差b2和的1/2,可以得到最终的.“输出电压-温度”函数[15]

4试验与验证
　　为了验证设计的可行性和正确性,需要对设备工作性能进行试验。结合3种热电偶的预设测温范围和分段线性拟合区段,分别设定几个温度点进行测试。使用Omega公司的CL3515R系列温度校准仪模拟热电偶在所设定温度下的输出热电势,通过采集设备读取相应的数字量,并带入标定公式换算得到对应的温度值,再与标准温度进行对比,得到最终测量精度。3种热电偶测试结果分别为表4~6所示。