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热电偶测温的线性化处理

时间:2012-11-04  来源:123485.com  作者:9stone

    用热电偶作为温度传感器, 在应用中要进行参考端补偿及线性化处理。过去常规的方法是靠硬件补偿和校正非线性, 误差较大, 现今以微处理器为核心的一类数字仪表, 采用软件来处理这两个问题, 可以达到相当高的测量准确度。

一、参考端补偿
    从简便性、测量准确度等方面考虑, 为充分发挥微处理器的计算能力, 在热电偶测温中可采用计算法进行参考端补偿。计算法就是先测出热电偶参考端的温度,然后按下式计算[1]:
e(t, t0) = e(t, t0') + e(t0', t0)      (1)
式中: e(t, t0) 为热电偶测量端温度为t, 参考端温度为t0 时的热电势; e(t, t0') 为热电偶测量端温度为t, 参考端温度为t0'时的热电势; e(t0', t0)为热电偶测量端温度为t0', 参考端温度为t0 时的热电势。
    采用图1 的测量系统中, 铂狗万类似的平台_狗万赢钱技巧_狗万垃圾平台测得热电偶参考端温度后, 折合为相应的热电偶毫伏数e(t0', t0) , 再与测得的热电偶毫伏信号e(t, t0') 迭加。由于数字量迭加法中, 补偿电势和温度电势是两次分别采样, 分别进行线性处理, 因此, 不会因两者的线性差异而带来补偿误差。得到e(t, t0) 后, 便可进行e→t 线性化处理。
 

二、线性化处理模块
    常用的线性化处理软件有查表法和曲线拟合法, 查表法是直接利用微机内存单元, 将分度表固化在存储器中。但查表法占用内存太大,这对内存量不大的微处理器来说是很不合算的。曲线法则是利用热电势与温度的函数关系,通过计算实现补偿。
    通常热电偶的热电势(e) 与温度( t) 之间具有如下的多项式形式:
    
    显然, 阶数越高, 拟合误差越小。实际计算表明, 如果采用分段的方法, 拟合公式的阶数不会太高。文献[4] 按ITS-90 标准将S 型热电偶的e→t 公式(-50~1768℃) 分为3 段。
( 1 ) -236.00~ 10334.16uV (-50~1064.18℃)    
 
( 2) 10334.16~ 17536.00uV (1064.18~1664.5℃)
    
( 3 ) 17536.00~ 18693.11uV ( 1664.5~1768.1℃)
     
    以上三式中的多项式系数a、b、c 见参考文献[4], 在此不占用篇幅。
    通常以S 型热电偶作为标准偶, 用以校验其它热电偶, 在此, 介绍其线性化处理软件的实现方法。其他类型热电偶可以仿效之。
将式(2) 改写为以下形式:
t(e) = a0+ a1e+ a2e2+ ……+ anen              (3)
将式(3) 按降幂排列得:
t(e) = anen+ an-1en-1+ ……+ a1e+ a0= {……[(ane+ an-1)e+ an-2 ]e+ ……+ a1}e+a0        (4)
设:Uk= {……[(ane+ an-1 )e+ an-2 ]e+ ……+an-k+1}e+ an-k (5)
则:Uk= Uk - 1e+ an-k , (k= 1, 2, ……n)
作为初值, 令:
  U0= an (6)
   从式(5) 和式(6) 可知, 将一个多项式的求值问题, 可以归结为重复计算n 个一次式来实现。整个求值过程简化为做n 次乘法和n 次加法, 这就大大简化了运算。我们可以将热电偶拟合多项式的运算编成四字节浮点数多项式计算子程序FPLN , 计算时调用它即可。
图2 为S 型热电偶线性化处理模块程序流程图。
 

三、自校准模块
    温度测量电路使用一段时间后, 需要对检测的准确性进行校准。校准方法, 一般是先将输入电路硬件可调元件校准好; 平时通过软件来调整一些相应的参数以达到校准的目的, 也就是以软件来校正硬件。这样, 就避免了调整硬件的麻烦, 简化了校准过程。
    软件方法进行自校准时, 用信号发生器送出标准信号, 例如当校准S 型热电偶的输入电路时, 送出S 型热电偶在300℃时的热电势为2.323mV。将此标准信号直接送至输入电路(S 型热电偶输入通道软件校准程序流程图见图3) , 进行自校准程序, 观察显示的温度值是否为标准信号所对应的温度值。如有误差, 则按“参数”键, 根据显示的温度值(五位) 与标准值的差别, 再按动“增加”或“减少”键直至显示准确温度值时为止。
 

四、结语
    在某些测温场合中, 如热电偶的校验和一些科研工作中, 要求测量准确度比较高, 以往全靠硬件和手工操作难以满足要求, 而采用微处理器以软件相配合, 可以获得高准确度的测量结果, 本文所述处理模块与合理的硬件设置相
配合, 在1500℃内, 可以获得误差小于0.1℃的测量准确度。

参考文献
[1]吴永生 热工测量及仪表 水利电力出版社, 1995.5
[2]刘开培, 陈石良 逐步加权最小二乘法在热电偶特性曲线拟合中的应用 工业仪表与自动化装置, 1990 (1)
[3]BRANDT S. Stational and Computational Methods in Data Analysis, north-holland Publishing Company. 1983
[4] 李吉林编1 常用热电偶、热狗万类似的平台_狗万赢钱技巧_狗万垃圾平台分度表(按ITS- 90 编制) 中国计量出版社, 1998.5


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