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热电偶信号的非线性处理与改良方法

来源:www.designsbykn.com作者:发表时间:2016-10-28 15:08:15

摘要:热电偶测温精度是由多方面因素决定,除了热电偶本身精度误差、安装方式、热电偶补偿导线之外,主要由热电偶二次采集元件端的精度决定。该文在介绍热电偶工作原理的基础上,重点分析了二次采集元件影响热电偶信号采集精度的3个关键因素,包括热电偶信号采集电路分析、热电偶信号的非线性化处理和冷端补偿方法,通过对以上3个关键因素进行优化处理,可以极大地提高热电偶信号采集精度,从而提高热电偶的测温精度。

3 热电偶信号的非线性处理
3.1 热电偶信号的非线性处理
        测温仪表采集的热电偶的热电势必须经过冷端补偿修正, 才能得到参考温度0 ℃情况下热电偶的热电势,修正公式为QQ截图20161028151241.jpg
式中:E(T,0 ℃)为被测介质在参考温度0 ℃时实际温度T ℃对应的热电势,mV;E(T,t0)为在恒温t0下测得的热电势,mV;E(t0,0 ℃)为在参考温度0 ℃时恒温t0时热电偶的热电势,mV。
        经过修正后的实际热电势, 根据热电偶分度表,可以查出对应的被测介质的实际温度[3]。查表法适用于易于存储大量数据单元、计算速度快的计算机系统,但难以适用于数据存储空间有限且CPU 运算速度较慢的测温仪表等嵌入式系统,若嵌入式系统采用查表法,会占用较大的存储空间,并且查表时间比较长,满足不了测温实时性的要求。
        由于热电偶的热电势与温度信号呈现出较高的非线性关系, 不能用线性函数表示两者的关系,如果不作线性化处理,直接根据热电势查找热电偶分度表,查找工作量巨大,不适合嵌入式热电偶采集系统,因此需要对热电偶的热电势和温度信号作线性化处理,减少运算工作量。
        从热电偶信号的非线性特点出发,热电偶温度信号的线性化采用分段近似斜率法,该方法适合于嵌入式系统,并且精度高、运算量少、不占用较大存储空间。

3.2 非线性处理的优化方法
热电偶信号的非线性处理采用分段近似斜率法。分段近似斜率法是将热电偶在某一区间内的温
度差与此区间内电势差所对应的线性转换值作为
该区间的校正斜率,再加上该区间的初值,得到非
线性校正公式为
        实际温度值=斜率值×(线性转换值-区间段电压初始值)+区间段温度初值(3)
        式中线性转换值为经过冷端补偿后的热电偶的热电势,如式(2)中的E(T,0 ℃)值。
        为了提高热电偶测温精度, 分段区间做的越多,热电偶计算值与实际值误差越小、精度越高,但是分段区间多会增加计算运行时间,具体分段数目需根据热电偶采集精度的实际需要以及CPU 的主频速度来决定。
        以K 分度热电偶为例, 假设把热电偶0 ℃~1372 ℃分为17 段,每一段有起始温度值、起始温度值对应的电势、终点温度对应的电势,以及该段的斜率。具体分段如表1 所示。

K 分度热电偶分段表

计算公式为:QQ截图20161028151230.jpg

式中:Tabs为热电偶的热端绝对温度,℃;Eabs为参考温度0 ℃时热电偶的热端绝对热电势,μV;EAi为参考温0 ℃度时该区间段的起始热电势,μV;Ki为该区间段的斜率,μV/℃;Tqi为该区间段的起始温度,℃。
         假设采用式(2)实现冷端补偿后的K 分度热电偶的热电势为41859 μV, 显然该值落在第12 分段区间,其初始温度值为950 ℃,斜率39 μV/℃,该区间段的起始热电势为39314 μV,根据式(4)可得实际温度值为Tabs=(41859-39314)/39+950=1015.3 ℃。查表可得,41859 μV 对应的温度值为1015 ℃。查表值与分段斜率计算值相差0.3 ℃, 达到了非线性化的目的。显然分段近似斜率法可以通过软件编程实现,易于在嵌入式系统上实现

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