一种热电偶测量仪表的校准方法

孔繁军，戴晶，潘婧

（中国船舶重工集团公司第七一九研究所，湖北武汉 430064）

0 引言

热电偶具有测量温度范围宽、结构简单以及价格相对便宜等优点，在工业测量中得到广泛应用。热电偶产生的热电动势和热电偶的型号相关，并且会受到基准节点温度的影响，因此在测量过程中需要加入补偿电路。目前热电偶测量仪表的校准方法主要有2种，一种是将热电偶放在恒温标准热源环境中进行标定［1］;另一种是用毫伏电压发生器产生高精度毫伏电压进行标定［2］。采用第1种方法操作简单，但标准热源实现困难，在校准过程中需要长时间地等待温度稳定。采用第2种方法精度较高，但需要通过查表或计算将温度转化为热电动势。

本文利用上位机软件Labview的数据计算优势，将高速计算和高精度电压产生的板卡相结合，在只需少量硬件电路的情况下，快速产生出各种热电偶在不同测量温度和不同基准节点所处环境温度所对应的热电动势。如果扩充板卡输出通道，则可支持多路独立输出，可以同时对多路不同的热电偶测量仪表进行校准，提高热电偶仪表的校准效率。

1 系统设计

1.1 总体设计

本方法需要使用的硬件系统主要由上位机、模拟输出板卡（具有16位的D/A转化能力）和模拟运算电路3部分组成。系统框图如图1所示。上位机将根据输入参数（热电偶种类、被测温度和环境温度）计算出16位D/A编码，同时将计算出的16位D/A编码送出，通过总线发送到板卡进行D/A转换得到0～5V电压输出，然后模拟运算电路将此电压转化为与热电偶测量仪表工作范围和热电偶类型相对应的毫伏电压输出。

图1 系统框图Fig.1System diagram

1.2 上位机软件算法设计与系统误差分析

热电偶产生的热电动势和温差之间的关系不是严格的线性关系，以K型热电偶为例，在0～600℃的温度范围内，大概有－1%的非线性误差，相当于存在6℃的误差，所以必须对其非线性误差进行修正［3］。首先将不同类型的热电偶分度表拟合出函数关系即拟合函数，然后计算机根据这个拟合函数计算出在设定的被测温度和基准接点温度时热电偶所产生的热电动势的大小，最后将数据送到板卡经过D/A转换，产生对应的毫伏电压。其中所使用的拟合函数参照标准ASTM E 230［4］。

本文所设计的热电偶信号发生器能设定的被测温度范围为0～500℃，环境温度范围为0～70℃，适用于K型和J型2种热电偶信号的产生。由于D/A转换电压的非连续性，在电压转换过程中必定会存在量化误差。下面以16位的D/A用于K型热电偶信号产生为例，分析量化误差的大小。

通过查分度表可知，70℃和500℃所对应的热电动势分别为2.851 mV和20.644 mV。在70℃的环境温度下，0℃的被测温度所对应的电动势为－2.851 mV，在0℃的环境温度下，350℃的被测温度所对应的电动势为20.644 mV。按照要求，所有的应用情况产生的电压都应在－2.851～20.644 mV的范围内，而J型热电偶产生的电压范围为－3.650～27.393 mV。为了能同时满足2种热电偶信号产生的要求，设定D/A产生的电压经过模拟衰减和调整后的输出范围为－4～30 mV。理想的DAC编码为

又由于DAC的输入为整数，所以要将计算得到的DAC编码经过就近取整后转化为整数，假设就近取整函数为

DAC的12位编码与输出电压的关系式为

根据ASTM E 230［4］，得到K型热电偶产生的热电动势和温度的关系，即

设定温度经过f1（t）和f2（t）运算并通过就近取整运算后得到12位DAC编码

电路实际输出电压为

而理想的输出电压为

实际输出电压Vo在理想输出电压V上下波动，利用误差公式

以及ASTM E 230［4］中的K型热电偶的温度电压转换公式

得到由于量化误差带来的温度误差为

通过计算得到，温度绝对误差最大值ΔTmax（K） =0.004 7℃，温度绝对误差最小值ΔTmin（K）=－0.004 7℃，即温度绝对误差小于±0.004 7℃。

按照上述方法，如果将16位A/D应用于J型热电偶信号的产生，设定被测温度范围为0～500℃，环境温度范围为0～70℃时，通过计算可得，ΔTmax（J）=0.005 0，ΔTmin（J）=－0.005 0，即温度绝对误差小于±0.005 0℃。

1.3 模拟运算电路设计

模拟运算电路的主要任务是将从DA输出的0～5 V电压信号转换为对应的热电动势。由于K型热电偶对应的热电动势为－2.851～20.644 3 mV，而J型热点偶对应的热电动势为－3.650～27.393 mV，为了使同1个模拟电路产生2种不同的热电偶信号，将最终输出电动势的范围设定为－4～30 mV，因此模拟运算电路需要提供的放大倍数为0.006 8倍，然后再提供－4 mV的偏置，即可得到所需要的热电动势。

本文选用了1种单级放大电路［5］，可以实现0.006 8的增益和－4 mV的偏置，同时提供增益和偏置的微调，并且在调整偏置的过程中，对增益的影响控制在0.001%以下。电路如图4所示。

图2 模拟运算电路Fig.2Analog calculation circuit

电路的总增益为电阻衰减网络的放大倍数和后级同向放大电路的放大倍数的乘积。

选取合适的阻值并计算得Amin=0.006 0，Amax= 0.007 8，通过调整可以实现0.006 8倍的增益。ΔVmax=－4.9 mV，通过调整可以实现－4 mV的增益调整。同时增益对输出增益产生的最大误差为ΔAmax=9.79×10－6，表示偏置的调整对增益的影响很微小，符合设计要求。

2 测试数据及分析

2.1 测试方法

在进行0点和增益校准之后，选择其中的一路进行测试。设定环境温度为0℃，选择热电偶为J型，将测量温度分别设定为0～500℃，间隔20℃。使用六位半万用表HP34401A对输出进行测量，并记录数据。

2.2 测试数据

测量数据记录如表1所示。

表1 测试数据记录Tab．1Test data record

2.3 数据分析

使用公式ΔV=Vo－V，计算输出电压绝对误差，使用公式。计算温度绝对误差和相对误差。实际的最大绝对温度误差为±0.033℃。相对误差在0点附近比较大，约0.098%，随着输出电压的升高而减小，相对误差最终达到0.012%左右。

3 结语

本设计能在允许的误差范围内输出与K型和J型热电偶温差相对应的温差电动势，操作简便，输出电压做到实时更新，能很方便地用于热电偶测量仪表的校准。通过改变模拟运算电路的偏置电压和增益可以使本电路应用于不同的热电偶和不同的温度范围，并且可以通过选用支持更高位数D/A转换的板卡来达到更高的精度。同时，环境温度的改变会使0点和增益产生漂移，因此，本电路在使用前需要校准，并且要保证环境温度在使用过程中保持相对稳定。

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