一種具有自動校準(zhǔn)功能的熱電偶信號發(fā)生器

金傳喜, 郭立峰,陳盼輝

（1.海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系，湖北武漢，430033）

一種具有自動校準(zhǔn)功能的熱電偶信號發(fā)生器

金傳喜1, 郭立峰1,陳盼輝1

（1.海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系，湖北武漢，430033）

針對熱電偶測溫儀表的測試與校準(zhǔn)，設(shè)計了一種高精度熱電偶信號發(fā)生器。該熱電偶信號發(fā)生器采用虛擬儀器的結(jié)構(gòu)，使用高精度的硬件電路設(shè)計方法，并集成16位電壓測量單元，實現(xiàn)了電壓輸出電路的軟件自動校準(zhǔn)。測試表明，通過使用軟件自動校準(zhǔn)，能夠?qū)㈦妷狠敵稣`差進(jìn)一步降低并小于±0.01%FS。

熱電偶；虛擬儀器；自動校準(zhǔn)

熱電偶是一種利用不同種金屬的連接點處產(chǎn)生的溫差熱電動勢效應(yīng)，并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢的一種溫度傳感器[1]。由于其測量溫度范圍寬、測量可靠性高等優(yōu)點，已經(jīng)在工業(yè)測溫領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

為了消除熱電偶的基準(zhǔn)接點環(huán)境溫度不為零，以及熱電動勢與溫度之間的非線性特性的影響，通常在熱電偶測溫儀表中集成有基準(zhǔn)接點補償電路和線性化校正電路[2][3]。目前對熱電偶測溫儀表的測試和校準(zhǔn)有多種方法，其中最方便快捷的方法是基于熱電偶的類型、測溫點溫度和基準(zhǔn)接點溫度等參數(shù)，按照熱電偶產(chǎn)生熱電動勢的理想特性模擬其輸出一個穩(wěn)定的毫伏級電壓，作為熱電偶儀表的信號輸入。

本文利用上位機按照熱電偶類型、測溫點溫度和基準(zhǔn)接點溫度等參數(shù)計算出對應(yīng)的熱電動勢，并通過串口發(fā)送到下位機進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并變換成相應(yīng)的電壓輸出[4]，同時在電路中增加了自動校準(zhǔn)電路，能夠在使用過程中對輸出電路進(jìn)行自動校準(zhǔn)，進(jìn)一步提高電壓輸出的穩(wěn)定性。

1 電路設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

熱電偶信號發(fā)生器主要由上位機、單片機系統(tǒng)、電壓輸出和電壓測量電路組成。其中上位機主要運行基于LabVIEW平臺的虛擬儀器人機界面，并將設(shè)定的參數(shù)轉(zhuǎn)換為最終的DA輸出編碼。下位機能夠按照上位機發(fā)送的命令，對電壓輸出和電壓測量電路進(jìn)行輸出調(diào)整和輸出電壓采集。

1.2 電壓輸出電路設(shè)計

電壓輸出電路主要由DA轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)源和運算放大器組成。DA轉(zhuǎn)換器將DA輸出編碼轉(zhuǎn)化為模擬的電流輸出，通過兩級運算放大器的處理，將輸出范圍調(diào)整為-5～20mV。具體電路如圖1所示。

本電路所選用的DA轉(zhuǎn)換器采用了電流輸出的16位R-2R結(jié)構(gòu)，運算放大器U1B利用內(nèi)部集成的反饋電阻，將DA轉(zhuǎn)換器的輸出電流轉(zhuǎn)化為電壓V1，其計算如下：

其中：VREF為電壓基準(zhǔn)源的輸出電壓，D為上位機計算的DA輸出編碼，取值范圍為0～65535。因此，當(dāng)選用2.5V的電壓基準(zhǔn)源時，V1的變化范圍為0～-2.5V。

圖1 電壓輸出電路

本電路主要針對J型和K型熱電偶在0～350℃測點溫度范圍的輸出電壓，同時能夠設(shè)置0～50℃的環(huán)境溫度。當(dāng)測點溫度為0℃，環(huán)境溫度為50℃時，輸出電壓達(dá)到最小值。當(dāng)測點溫度為350℃，環(huán)境溫度為0℃時，輸出電壓達(dá)到最大值。通過查表，J型熱電偶的電壓范圍為-2.585～19.090mV，K型熱電偶的電壓范圍為-2.023～4.293mV。因此將輸出電壓的范圍設(shè)定為-5～20mV，能夠滿足上述需求。

運算放大器U1A與電阻R1、R2和R3構(gòu)成反相加法電路，對電壓輸出范圍進(jìn)行調(diào)整。最終輸出電壓Vout計算如下：

將電阻的參數(shù)代入公式，并消去V1，Vout的計算可以簡化為：

因此，基準(zhǔn)電壓為2.5V，D取值為0～65535時，輸出電壓Vout的范圍為(-VREF/500～VREF/125)，計算得輸出電壓范圍為-5～20mV。

1.3 電壓測量電路設(shè)計

熱電偶信號發(fā)生器輸出的信號具有電壓低（mV級）的特點，為了能夠保證輸出精度和穩(wěn)定性，采用了高精度的電壓產(chǎn)生電路，并且選用低溫漂的元器件。為了能夠進(jìn)一步降低儀器因為長時間使用或者環(huán)境溫度變化引起的輸出漂移，本文增加了高精度電壓測量電路，能夠?qū)敵鲭妷哼M(jìn)行測量，實現(xiàn)了信號發(fā)生器的自動校準(zhǔn)功能。

電壓測量電路主要由儀表放大器、基準(zhǔn)電壓源和AD轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，具體電路如圖2所示。

儀表放大器INA主要用來對信號進(jìn)行放大，同時對信號的電平進(jìn)行遷移，將參考點由0V遷移至2.5V，從而將輸出信號的范圍限定在0～5V，以滿足AD轉(zhuǎn)換器的輸入條件。儀表放大器的放大倍數(shù)計算如下：

本文選用增益控制電阻RG為1KΩ，放大倍數(shù)為51倍，能夠?qū)?5～20mV的輸出電壓轉(zhuǎn)化為-255～1020mV。由于AD轉(zhuǎn)換器的輸入信號范圍為-2.5～2.5V為了能夠達(dá)到最高的轉(zhuǎn)化精度，將AD轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的程控增益放大器的放大倍數(shù)設(shè)置為2倍，將電壓范圍轉(zhuǎn)化為-510～2040mV。

圖2 電壓測量電路

2 軟件設(shè)計

2.1 上位機軟件設(shè)計

本文使用LabVIEW作為上位機編程平臺，上位機軟件主要由人機界面和控制算法組成。軟件通過人機界面獲取相關(guān)參數(shù)，控制算法通過獲取的參數(shù)計算得到DA控制碼，并通過串口發(fā)送到下位機。

控制算法主要包括開機校準(zhǔn)和控制碼計算兩部分。在系統(tǒng)調(diào)試的過程中，需要使用高精度的電壓表對AD進(jìn)行校準(zhǔn)，即確定AD采集碼與電壓的對應(yīng)關(guān)系。為了避免DA轉(zhuǎn)換器在零點和滿量程附近的非線性特性的影響，所有校準(zhǔn)過程均選取DA輸出碼為100和65435的兩個點進(jìn)行。

系統(tǒng)調(diào)試時，首先控制DA輸出100，記錄此時AD轉(zhuǎn)換器的測量值A(chǔ)1和電壓表的測量值Vm1，然后控制DA輸出65435，再次記錄AD轉(zhuǎn)換器的測量值A(chǔ)2和電壓表的測量值Vm2。在軟件中通過擬合模塊便能確定AD轉(zhuǎn)換器的測量值與實際測量電壓的關(guān)系。在開機自校準(zhǔn)過程中，軟件將自動控制DA輸出100，同時根據(jù)此時的AD測量值和上述擬合關(guān)系確定低點輸出電壓VL，然后控制DA輸出65435，再根據(jù)AD測量值和擬合關(guān)系，確定高點輸出電壓VH。因此，通過兩組DA輸出碼和高低點電壓值便能確定DA輸出碼與最終輸出電壓V之間的關(guān)系，并以此作為DA輸出碼計算過程中的擬合條件，DA輸出碼D計算如下：

輸出電壓的計算參照NIST Monograph 175，使用公式節(jié)點進(jìn)行計算，由于上位機的計算優(yōu)勢，能夠快速、精確地對較為復(fù)雜的多項式進(jìn)行計算，并且計算的電壓值能夠精確到1uV。

2.2 單片機程序設(shè)計

單片機程序分為主函數(shù)和串口中斷兩個部分，主函數(shù)在上電過程中完成啟動以及各個模塊的初始化工作，在正常運行階段以串口中斷函數(shù)為主。單片機通過串口中斷快速響應(yīng)上位機的發(fā)送的數(shù)據(jù)，并按照協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的操作。其流程圖如圖3所示。

圖3 單片機串口中斷流程圖

3 測試數(shù)據(jù)及分析

3.1 測試方法

首先，使用臺式多用表3458A對AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行校準(zhǔn)。通過測試，低點電壓VL為-4.3471，對應(yīng)AD測量值為26974，高點電壓VH為20.3116，對應(yīng)測量值為59870。

然后將測得數(shù)據(jù)寫入軟件，并重新生成并運行程序。設(shè)定環(huán)境溫度為0℃，按照0～350℃的范圍，間隔10℃輸出電壓，使用臺式多用表3458A進(jìn)行測量，并記錄數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)記錄

測試數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

3.3 數(shù)據(jù)分析

表1記錄的測試數(shù)據(jù)表明，最大的電壓輸出誤差為輸出130℃溫度對應(yīng)的-1.6uV，對應(yīng)的滿量程誤差為-0.0084%FS。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的熱電偶信號發(fā)生器自校準(zhǔn)功能能夠在每次軟件開始運行時使用AD對電壓輸出電路進(jìn)行校準(zhǔn)，將時間累計誤差和由于環(huán)境溫度引起的輸出電路誤差消除，使系統(tǒng)的誤差僅與AD測量誤差有關(guān)。通過使用低溫漂元器件和高精度的電路結(jié)構(gòu)，控制AD測量誤差，從而提高熱電偶信號的輸出精度。因此，使用軟件自動校準(zhǔn)替換了電位器手動校準(zhǔn)，在使用過程中操作方便，精度和穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，能夠更好地應(yīng)用于熱電偶測溫儀表的測試與校準(zhǔn)。

[1]松井邦彥.傳感器應(yīng)用技巧141例[M].梁瑞林,譯.北京:科學(xué)出版社, 2006.

[2]楊宇, 郝曉劍, 周漢昌. 熱電偶動態(tài)校準(zhǔn)及動態(tài)補償技術(shù)研究[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2013,28(6):77-80.

[3]盧鷹斌. 基于數(shù)字化補償?shù)臒犭娕紲y控系統(tǒng)[J],工業(yè)控制計算機, 2013,26(10):44-46.

[4] 陳盼輝, 陸古兵, 金傳喜, 楊洪立. 熱電偶毫伏信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 測控技術(shù), 2012,31(2):9-11.

A Thermocouple Signal Generator with the function of Automatic Calibration

Jin Chuanxi1,Guo Lifeng1,Chen Panhui1
（1.Department of Nuclear Science and Engineering Naval University of Engineering，Wuhan 430033, China）

Aims to the testing and calibrating for the temperature measurement based on thermocouples, a high precision thermocouple signal generator is designed. It contains a 16 bit voltage measurement unit to achieve the function of automatic calibration and designed with the structure of virtual instrument and the design method of high precision. The test shows that the error of voltage output is further reduced to less than ±0.01%FS with the automatic calibration.

Thermocouple; Virtual instrument; Automatic calibration

表1 測試數(shù)據(jù)記錄

TP216

A

金傳喜（1975- ），男，講師，主要研究方向:儀器儀表與測控技術(shù)。