基于热电偶的精密环境温场测量的关键问题研究

发布时间:2021-01-04     浏览次数:
摘要:分析了热电偶温度测量不确定度、温场稳定度测量不确定度和温场均匀度测量不确定度,为精密环境的温场参数测量和控制提供理论保障.分析表明,热电偶测温不确定度与热电偶热电动势、参考端温度传感器的测量不确定度密切相关:温场均匀度测量不确定度与热电偶热电动势的测量不确定度密切相关:温场稳定度测量不确定度与热电偶热电动势和温差拟合函数的关系密切,在一次线性拟合的条件下取决于拟合函数的斜率.针对测量过程中存在的脉冲噪声和热电偶非线性的干扰,结合精密环境温度信号变化缓慢的特点,提出综合运用均值滤波和中值滤波处理热电偶热电动势测量数据去除测量中脉动噪声和热电偶非线性对测量结果的影响.
0引言
       高精确度温度计量是精密计量和制造纳米几何尺寸的重要前提.大范围纳米坐标测量机提出了保障常温下密闭空间内温度具有高稳定度和高均匀度的要求.迄今为止的文献中仅通过某种算法计算精密测量环境的温度均匀性和稳定性,而未分析其测量不确定度,因此无法保证所构建的测量环境符合其设计精确度要求.
       响应速度快、不存在自热等优点的热电偶,较热电阻等其他温度传感器更适用于密闭空间内温度的测量,但常规应用的热电偶个体间差异较大、稳定性差而无法满足精密空间内温场均匀性测量要求.这种差异可通过在实验室中分别标定每支热电偶而得到克服,因此实验室条件下应用热电偶能够给出较常规应用更高的测量精确度.我们在温度范围在18~22℃的条件下使用铜-康铜热电偶测量纳米坐标测量机的工作环境温度,分析了基于热电偶测温的温度测量不确定度和精密测量环境温场稳定度、均匀度的测量不确定度,为精密环境的温场参数测量提供了理论保障.同时,针对测量过程中存在的脉冲噪声和热电偶非线性的干扰,结合纳米坐标测量机的工作环境温度信号变化缓慢的特点,提出综合运用均值滤波和中值滤波处理热电偶热电动势测量数据,以使更好地测量精密测量环境的温场分布.
1热电偶测温原理及模型
       根据Seebeck效应,当组成热电偶的材料一定时,热电偶的热电动势只取决于热电偶测温回路的两个接点温度.即热电偶检测端温度可表示为
T=T。+△T=To+φ(EABT,T。)(1)
式中:A、B为组成热电偶两极的两种材料:T。为热电偶参考端温度(℃);EAB为温差△T=T-T。时的热电偶热电动势(nV).
       根据美国国家标准局NBS)提供的铜-康铜热电偶电压特征数据与温度对应关系一热电动势与测量端和参考端温差近似呈线性甲,考虑到实际测温范围为4℃左右,认为热电偶热电动势与测量端和参考端温差为1次函数关系是合理的,即热电偶测温模型可表征为
T=T。+△T=T。+aE+b(2)
式中:△T=kE+b,为温差和热电动势的1次最小二乘拟合关系式;a为斜率(℃/nV),b为截距(C).
2实验系统
       实验系统包括机械系统、数据采集系统和软件平台等三部分,如图1所示.热电偶的测量端和參考端分别置于两个相同结构的保温箱体立方体结构,6面均采用200mm苯板隔热)内的杜瓦瓶中,并在测量中采用两支--等标准铂电阻测量热电偶补偿端和测量端的温度,使用两个纯铜块分别包裹热电偶参考端和参考端的一级标准铂电阻以及热电偶测量端和测量端的一级标准铂电阻,使两支一等标准铂电阻尽可能分别与热电偶参考端和测量端温度相同,然后分别放置于参考端和测量端中盛油的杜瓦瓶中,将该盛油杜瓦瓶置于箱体中央.
热电偶标定装置示意图
       采用HART1590型测温仪分别测量参考端和测量端的一等铂电阻,获得热电偶参考端和测量端的温度.测温仪的测量不确定度在1C内达1ppm.
       热电偶温差热电动势的采集由KETHLEY7001.可编程程控开关、KETHLEY2182纳伏计组成,并由计算机控制.程控开关的作用是根据计算机指令使待标定的热电偶与纳伏计连接,由纳伏计测量该热电偶的热电动势.数据采集系统如图2所示.测量温差为0~3℃区间内的热电偶热电动势的变化.根据式2)确定热电动势和温差的关系.
       热电偶热电动势、测量端温度和参考端温度的具体测量过程如下:
1)n=NN:待标定的热电偶总数);
2)i=1;
3)选通程控开关的第i通道,读取纳伏计的热电动势测量值Ei);
4)测温仪读取热电偶测量端温度R,6);
5)测温仪读取热电偶补偿端温度R。6);
6)i=i+1;
7)i>n?否,重复步骤3)~6);是,重复1)~7).
热电偶信号采集示意图
3温度测量不确定度
       热电偶参考端温度测量值在18~20℃之间,标定热电偶测量端和补偿端温差范围~4C.并进行了大范围重复标定,标定点的数量足以满足实验要求.
       根据式2)获得热电偶测量端温度测量不确定度回为

       文[D7]给出了热电偶测温不确定度的详细计算方法.△T为4℃时,E不大于1.7×105nV,取E=1.7×105nV.对其中一只热电偶测量数据拟合后.有:a=-2.5×10-5.、σ。=5.2×10-9、b=4.4x10-5、σ。=0.2×10-3(℃),根据标定系统具体使用的测量仪器和实验结果,热电偶测量端温度测量不确定度构成如表1所示.

       由式4)和表1得冷热端温差为4℃时,热电偶.测温标准不确定度为2.2×10-3℃.置信概率为0.99时,取k=3,则其扩展不确定度表示为
U99=3×UT)=6.6×10-3
4温场均匀度测量不确定度
       温场均匀度通常定义为一段时间内,待测量温场内温度变化的最大值和最小值之差.对于实际被测系统而言,通常采用在温场的特征点处采集特征点温度的变化,并将所有被测特征点在-.定时间内的温度变化幅值定义为温场的均匀度.因此,设一-定时间内温场中的两点j、h出现最大值和最小值,其温度分别表示为Tj、Tk,则温场均匀度表示为

5温场稳定度测量不确定度
       温场稳定度通常定义为-段时间内,温场内某个待测特征点温度变化的最大值和最小值之差.实际测量过程中,通常采用一只温度传感器在一-段时间内温度测量值的最大最小值之差表示温场稳定度,设在该段时间内传感器在t1,和t2时刻获得最大Tmax、最小值Tmin,则温场稳定度表示为


       从表1~3中可以看出,热电偶热电动势测量的准确度严重影响热电偶测温不确定度和温场均匀度测量不确定度,而温场稳定度测量不确定度与热电偶热电动势和温差拟合函数的关系密切,在一次线性拟合的条件下取决于拟合函数的斜率,但高精密测量环境通常具有很好的温度稳定度,一般小于0.1℃,这意味着温场稳定度测量不确定度通常在万分之儿摄氏度或更小:为改善温场温度测量不确定度以及温场均匀度测量不确定度,采用热电偶作高精密温度测量时需提高热电偶热电动势的测量准确度.同时,也可以看出,采用上述方法标定的热电偶能够满足精密测量环境所要求的±0.01℃的温度国测量要求.
6测温过程的数据处理技术.
       文8]在低温热电偶标定过程中发现热电偶测温存在非线性现象,并采用分形方法分析了由于这种非线性引入的热电偶测温误差,其分析表明这种非线性存在一定的随机性,且各传感器间测量存在弱相关,但没有给出改善这种非线性的方法.在采用本文给出的系统标定热电偶的过程中,我们也发现了这种非线性现象,同时还发现热电偶热电动势采集过程中存在脉冲噪声,如图3所示,测量过程中在温差为1~1.5℃和3~3.5℃之间两次出现脉冲噪声:选取温差为3.1~3.2℃之间的测量数据曲线观察测量存在非线性现象.
       为减弱测量中随机噪声和脉冲噪声的干扰,考虑对测量过程采取滤波运算.一般信号测量过程中同时含有多种噪声,因此应考虑如何滤波才能达到最佳效果.假如综合使用不同的滤波方法,则先使用的滤波运算可能会对其他性质的噪声产生影响,导致其他滤波方法效果变差.目前还没有一种方法对所有信号的处理效果均为最佳,某一种单一滤波算法只能较好地对含有一种或几种噪声类型的信号进.行处理.抑制噪声并能够在处理中保留信号真实的变化趋势是相互制约的.
热电偶热电动势信号受到随机噪声和脉冲噪声污染图示
       工程实际中一般通过简单的算法或简单算法的组合来达到信号处理的目的,如均值滤波和中值滤波就是工程实际中经常使用的滤波算法.均值滤波方法能够有效地滤除随机噪声中的高斯噪声,但对与信号有关的噪声和脉冲噪声抑制效果较差.同时,均值滤波存在钝化信号变化趋势的作用,且滤波窗口越大,信号变化趋势的钝化越严重.均值滤波算法如下式:

       式中:y(t)为原始信号在1时刻的测量值:S为1时刻的时间邻域;M为邻域S的信号测量个数:g(t)为均值滤波后最终信号.
       中值滤波能较有效地抑制测量信号脉冲噪声的干扰,且不改变信号频谱,对随机噪声的抑制能力不如均值滤波.中值滤波是一个有奇数点的滑动窗口,将窗口中心点的值用窗口内各点的中值代替,可以用下式表示:

       式中:A为滤波窗口:Med为取中值运算:里6)}为A中所有测量信号的集合序列.
       由于待处理的信号中既包含有脉冲噪声又包含有随机噪声,因此综合运用中值滤波和均值滤波算法,改进式00)的中值滤波方法,使中值滤波输出为一个序列,将该输出序列作均值滤波处理得到该测:量时刻的信号测量值.具体算法如下:
1)读取5个温度测量值,获得测量序列{f(t)}=f(ti-2)f(ti-1)f(ti)f(ti+1)f(i+2)}.
2)取式(10)中A=5,计算序列f(t)}的最大值和最小值,去掉最大值和最小值得到式Q0)的输出序列{y(t)}=y(t1)y(t2)y(t3)
3)取式(9)中M=3,计算信号g(t)的值..
       依次对所有测量值处理,最终输出即为经中值滤波器和均值滤波器的信号输出值.
       经上述方法处理后的信号如图4所示可见,经处理后的信号去除了脉冲噪声的干扰,同时,信号的非线性得到了一定程度的抑制.

7结论
1)分析了基于热电偶测温的温度测量不确定度、温场稳定度测量不确定度和温场均匀度测量不确定度,为精密环境温场参数的测量和控制提供理论保障.分析表明,热电偶测温不确定度与热电偶热电动势、参考端温度传感器的测量不确定度密切相关:温场均匀度测量不确定度与热电偶热电动势的测量不确定度密切相关:温场稳定度测量不确定度与热电偶热电动势和温差拟合函数的关系密切,在一次线性拟合的条件下取决于拟合函数的斜率。
2)采用热电偶作窄温区温度测量,置信概率为0.99时,温区为4℃时,其温度测量不确定度可达.6.6×10-3℃;均匀度为4℃时,其温场均匀度测量不确定度可达7.5×10-3℃:稳定度为0.4℃时,其温场稳定度测量不确定度可达0.26×10-3℃.分析表明,采用比对法标定的热电偶温度测量指标能够满足精密测量环境要求的±0.01℃温度测量要求.
3)针对测量过程中存在的脉冲噪声和热电偶非线性的干扰,结合精密环境温度信号变化缓慢的特点,提出综合运用均值滤波和中值滤波处理热电偶热电动势测量数据,很好地去除了测量中脉动噪声的干扰,同时也减小了热电偶非线性对测量结果的影响.
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