温度传感器S型热电偶测温电路设计.

摘要:针对航天领域环境温度测量宽量程、精度高的需求，提出一种基于温度传感器进行冷端补偿的S型热电偶测量电路,该电路由S型热电偶温度传感器信号调理电路和采样量化电路两部分组成。利用温度传感器AD590的输出电流产生补偿电动势,以补偿s型热电偶冷端温度,实现其测点绝对温度的测量;通过S型热电偶输出电动势与测量温度在分段线性拟合和全量程线性拟合两种算法下的线性度比较，S型热电偶测量时的非线性误差采用分段线性拟合校正算法。对测量电路进行多次试验,结果表明,该设计可实现的温度测量范围为0~1600℃,全温度范围测量精度+0.2%。电路经工程应用验证,测量结果符合环境变化情况。
0引言
      在航天领域温度测量中往往需要采集较高的温度并且对温度采集的精度要求较高，在接触式测温法中，热电偶的应用普遍。S型热电偶的测量温度范围为0~1600℃,可以满足对高温的测量需求。热电偶的工作原理为热电效应，即热电偶的冷端和热端处于不同的温度场时，会产生热电动势,然而热电偶冷端温度的变化会导致温度采集精度下降[2]。针对目前S型热电偶暂无专用冷端补偿集成放大器的情况,本文从使用温度传感器对S型.热电偶进行冷端补偿人手，设计了S型热电偶测温电路,并使用相关的仪器设备对电路进行了测试，验证了该电路的可靠性。
1电路整体设计
      该测温电路主要包括两部分,分别为信号调理电路和采样量化电路。其中信号调理电路的主要作用是对电压信号进行滤波、补偿和放大，采样量化电路的主要作用是将已调理的电压信号量化为数字量以供后续的软件处理，电路整体设计框图如图1所示。

2硬件设计
2.1信号调理模块设计
S型热电偶测温电路设计是基于消除射频干扰(RFI)以及S型热电偶冷端自动补偿功能的实现为核心的。
2.1.1RFI滤波电路设计
      RFI滤波电路目的是消除热电偶在采集温度时拾取的高频噪声，例如生活中的WiFi信号和手机信号对于热电偶采集的温度信号都属于高频噪声[3]。如果不将热电偶长引线所带来的高频噪声滤除掉,噪声进人到仪表放大器,就会被仪表放大器整流从而产生直流输出失调误差,并且在后续的滤波电路中无法消除而导致温度采集的精度降低[4]。RFI滤波电路如图2所示。
      RFI滤波电路由两个对称的一阶RC滤波电路构成，为保证RFI滤波电路在高频段工作的可靠性,需要对R/C2和R2/C3的值进行严格匹配。其中R1和R2选择7.5k92/1%的电阻,C2和C3选择容值为10nF的电容器。为降低由于两个RC滤波电路不匹配造成的RFI滤波电路的共模抑制比(CMRR)降低,需保证C1≥10C2,C1选择100nF的电容。

      该RFI滤波电路可以对频率大于101.1Hz的差模频率和频率大于2.12kHz的共模频率具有较好的抑制作用。
2.1.2冷端自动补偿电路设计
      S型热电偶的热电性能好，抗氧化性强，可以在氧化性介质中连续使用，热电偶的热电动势输出与热电偶的热端和冷端的温度差成正比5]。由于热电偶的冷端在通常情况下暴露在空气中，冷端的温度不恒定会对热电偶测温精度造成较大影响[6-7]。针对目前S型热电偶暂无专用冷端补偿集成放大器的情况，设计了基于温度传感器的S型热电偶冷端补偿电路。
在此次设计中选用温度传感器AD590,AD590是一款半导体集成温度传感器,输出电流与绝对温.度成正比,由于AD590的宽电压输人范围以及高输入阻抗，使得AD590可以很好地抑制电源电压漂移和纹波对测温电路的影响，基于AD590的冷端补偿电路如图3所示[8]。

      图3所示的AD590冷端补偿电路中，为保证温度传感器AD590可以实现在室温下对S型热电偶完成冷端补偿，设计加入了由稳压电压源AD580提供的参考电压Vrefo当补偿电流Ic经过Rc时可以产生补偿电压Uc,即:
Uc=UM-Vref(3)
S型热电偶输出热电势为:
EAB(MJ,tRJ)=eAB(M])-eAB(tRJ)(4)
进入仪表放大器的电压为:
UIN=Uc+EAB(tMJ,tRJ)(5)
当进入仪表放大器的电压为热电偶测量节点的热电势时，即Uc-eAB(R)=0,此时该补偿电路已完全补偿。
根据节点电压法电压UM为:

      对该补偿电路进行室温即25℃进行补偿,只有当补偿电压对温度的变化率与S型热电偶在25℃的热电势率相等时，该电路即可实现完全补偿,则:

      其中S型热电偶在25℃时的热电势率为6×.10^-6V/℃C,S型热电偶在25℃时的输出热电势为0.143mV,AD590在25℃时的输出电流为298μA,参考电压Vrer=2.5V,联立上式可得当Rc=6.0042,R=9111.894Ω时可完全补偿。
      此时若冷端所处的温度为25℃时,此时补偿电压Uc=0.143mV,等于S型热电偶在25℃时的输出热电势。
2.1.3增益调整电路
      热电偶的输出热电势较小，在经过补偿后输出电压不一定满足后续模数转换器的电压输人范围,需要将电压调理至合适的范围。S型热电偶的测温范围为0~1600℃,对应S型热电偶的热电势输出范围为0~18.612mV,而后续模数转换芯片的电压输人范围为0~2.048V。在此设计中选用AD8227对S型热电偶信号进行增益调整以满足模数转换.芯片的电压输人范围,AD8227是一种宽电压输入范围,轨到轨输出的仪表放大器,可通过调整外部电阻对芯片的增益范围进行调整[9]。根据AD8227的输出电压公式:.

其中Rc为AD8227的外部配置电阻。假设热电偶信号经增益调整后最大输出电压为1.9V,可计算得外部配置电阻的大小为781Ω。
2.2采样量化模块设计
      S型热电偶信号通过补偿、增益调整之后输出为模拟量,模拟量只有转化为数字量才可以被后续的软件处理,将热电偶信号转化为数字量的过程称之为采样量化。主控制器FPGA通过控制模数转.换芯片，对输人的模拟信号依次采样量化。采样量化电路主要包括分压跟随电路和抗混叠滤波电路,分压跟随电路用于模数转换器输人信号缓冲作用,抗混叠滤波电路可以有效地抑制反冲噪声和带外噪声[10],电路如图4所示。

3S型热电偶标定方法研究
      S型热电偶在全量程范围内输出电压与温度信号不具有线性关系，仅在某些特定的温度范围内具有线性关系叫。例如S型热电偶在0℃时的微分热电势为5.40μV/9C,在1600℃时增加至12.36μV/℃。如图5所示为S型热电偶分度表线性拟合的结果。S型热电偶分别在0~250℃范围、200~1200℃范围、1200~16009℃范围和全范围内的线性相关系数为0.99622,0.99842,0.99999,0.9954。

      由图5可知，S型热电偶在全量程范围内线性度较差，而将S型热电偶分度值进行分段线性拟合的线性度优于整体拟合的线性度。为提高S型热电偶测温的精度，将S型热电偶测温区间进行分段拟合,线性拟合后的线性度可达0.9999。分段多项式线性拟合的系数如表1所示，其中温度与热电势关系可以表示为:

4试验结果及误差分析
      对标定后的S型热电偶测温电路测试，测试结果如表2所示。对测试结果分析发现,测量所得到的温度与实际温度的误差不是恒为正误差或恒为负误差。导致这种情况的原因可能是拟合过程所带来误差以及元器件的非线性所带来的误差[12]。为减小热电偶标.定后所带来的拟合误差,分别对0~250℃、250~1200℃和1200~1600℃拟合函数增加校准系数△即:

其中△为：


      在0~250℃测温区间最大正误差为1.2℃,最大负误差为-0.7℃,添加校准系数01=0.25℃。
      同理在250~1200℃测温区间添加校准系数△2=0.1℃,在1200~1600℃测温区间添加校准系数△3=-0.4℃。
      对于0~250℃温度采集最大拟合误差由+1.2℃降低至+0.95℃,对于250~1200℃温度采集最大拟合误差由+1.1℃降低至+19℃,对于1200~1600℃温度采集最大拟合误差由+1.6℃降低至+1.2℃。
使用超级恒温油槽(GHY-3005)以及管式炉(SGL1700C)对校准后的S型热电偶测温电路进行误差精度验证，并且在温度测量端接入Omega公司的手持式K型热电偶温度传感器。在超级恒温油槽为25℃时标准传感器测得温度为24.9℃,在管式炉为500℃和1200℃时，标准温度传感器所测温度分别为500.5℃和1200.4℃。该S型热电偶测温电路实际测得的温度如图6所示，纵坐标为测量温度,横坐标为时间。
      由图6可知测量温度在24.9℃，500.5℃,1200.4℃时的最大误差分别为±0.5℃,±1℃,±0.8℃。满足温度测量精度优于±0.2%的要求。

5结束语.
      本文设计了一种S型热电偶测温电路,详细介绍了使用温度传感器对S型热电偶进行冷端自动补偿和RFI滤波的工作原理。经过多次试验验证表明该测温电路可针对S型热电偶实现全范围的自动冷端补偿,测温准确度优于±0.2%,有效地解决了S型热电偶暂无专用冷端补偿集成放大器导致S型热电偶温度采集精度较低的问题。该测量系统可广泛应用于RF高频强干扰、采集温度要求高、测温精度要求较高的工程测温环境中。