一種熱電偶溫度采集裝置的優化設計

王晨輝，趙冬青，賈興中，陳建軍

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西太原 030051）

在航天和工業領域中，溫度的監測至關重要。在溫度采集時，要求傳感器有較大的量程、較好的抗干擾性以及較高的測量精度和穩定性[1]。熱電偶具有測溫范圍廣、測量精度高、耐壓性能好等特點，其中K 型熱電偶更具有成本較低、實用性強等優點，被廣泛應用到航天和工業的各種測溫環節中[2]。但同時熱電偶又會由于冷端溫度不穩定和“溫度-熱電勢”關系的非線性使測量溫度產生較大的偏移量[3]。該設計通過硬件冷端補償和軟件非線性校正，提高了K 型熱電偶測溫的準確性和穩定性。通過設計了一款四通道熱電偶溫度采集裝置驗證了該優化設計在-30～1 300 ℃的量程內，測量誤差小于0.5 ℃。

1 硬件電路組成

熱電偶溫度采集裝置硬件電路由AD8495 冷端補償電路、分壓跟隨電路、二階壓控低通濾波電路、單片機ADC 轉換電路、串口轉422 電路組成，如圖1所示。AD8495 對K 型熱電偶的輸入熱電勢進行冷端補償；分壓電路將經AD8495 放大的電壓分壓至2.45 V 以下，以滿足AD 轉換要求；跟隨電路將前端調理電路與后端電路隔離開，后端電路所產生的干擾并不會影響前端調理電路；二階壓控低通濾波用以濾除線路串擾噪聲；單片機將采集的模擬量轉換為數字量并通過串口發送至ADM2682E，將串口數據轉換為422 接口協議的數據，通過接收設備發送至上位機進行非線性校正。

圖1 電路組成

2 電路設計

2.1 AD8495冷端補償電路設計

AD8495 是一款集成K 型熱電偶參考冷端結點溫度補償的精密儀表放大器，內部電路如圖2 所示，其內部集成了一個溫度傳感器來進行冷端溫度補償；通過內部集成的三運放儀表放大器提供了一個122.4 倍的固定增益來放大熱電偶的微小信號[4]。儀表放大器的高共模抑制比極大地降低熱電偶引線以及其他原因可能引入的共模噪聲。儀表放大器的高輸入阻抗特性還能允許在輸入端添加額外的輸入濾波電路。同時，在連接器與電路板連接處的連線選用熱電偶補償導線，使進入測量設備的電壓信號可以近似等于測量節點熱端所產生的熱電勢[5]。

圖2 AD8495內部電路組成

熱電偶的傳輸熱電勢在輸入時，常會引入很多高頻噪聲。如果噪聲不被濾除，就會表現為溫度信號的波動[6]。通過在放大器前端設置射頻濾波電路來消除高頻干擾，RF 濾波電路設計圖如圖3 所示。

圖3 RF濾波電路設計

由于儀表放大器的高輸入阻抗特性，熱電偶的電勢經R3流到地平面，從而不會流向濾波電路的電阻，電容C1能匹配兩路RC濾波器，防止電容不匹配導致的共模抑制比衰減。

其差模截止頻率：

其共模截止頻率：

此電路對大于101.1 Hz 的差模信號以及大于2.12 kHz 的共模信號有較好的抑制，有效地減少了高頻噪聲對低頻溫度信號的干擾。

2.2 分壓跟隨電路設計

熱電偶的溫度信號經AD8495 補償后的電壓不滿足后端單片機AD 采樣的輸入電壓要求，這就需要將電壓調整到C8051F352 內部AD 采樣基準電壓（2.45 V）范圍內，以便后端AD 采樣。圖4 所示為溫度采集裝置的分壓跟隨調理電路。K 型熱電偶的測溫范圍在-20～1 300 ℃，AD8495 能產生122.4 倍的固定增益，AD8495 的基準電壓為0.483 V，所以AD8495 的輸出電壓范圍為0.388～6.988 V，經分壓電路以及后端二倍放大電路后的輸出電壓范圍為0.132～2.382 V，滿足后端AD 采樣的要求。分壓后，經過跟隨電路，跟隨電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點，可消除前后端電路的相互干擾[7]。另外需在運放的電源和地端串接0.1 μF 退耦電容消除耦合干擾。

圖4 分壓跟隨電路設計

2.3 二階壓控低通濾波電路設計

熱電偶溫度信號和大多溫度信號相同，響應時間較長，由于信號改變緩慢，所以必須進行濾波來消除線路串擾噪聲[8]。在冷端補償之后，需要設置濾波電路來消除線路串擾噪聲[9]，并對信號進行二倍放大，使滿量程時的電壓范圍接近ADC 的參考電壓，以提高模數轉換的精度，二階壓控低通濾波電路如圖5所示。

圖5 二階壓控低通濾波電路設計

當R1=R2=R、C1=C2=C時，濾波器的傳遞函數：

令式中s=jω，ω=2πf、f0=1/2πRC，得出電壓放大倍數：

該濾波器上限截止頻率/(2πRC)=284.89 Hz，其幅頻特性仿真如圖6所示。

圖6 低通濾波截止頻率仿真

2.4 單片機AD采樣電路設計

該設計采用C8051F352單片機作為設備的主控芯片，它是完全集成的系統級MCU，片內有一個16 位Sigma-Delta 模/數轉換器（ADC），該ADC具有在片校準功能。它的優點是最小系統外圍電路小，占用電路空間小，單電源供電，功耗小[10]。單片機電路如圖7所示。

圖7 單片機電路設計

供電電路由LT1763-3.3芯片產生3.3 V電壓為單片機供電，在地與VDD之間增加一大一小兩只電容來濾除電路中的耦合干擾，為芯片提供一個干凈的供電電壓[11]。

3 軟件非線性校正

非線性指的是兩個變量的函數關系，不是一種簡單的線性比例關系。熱電偶電動勢的改變隨著溫度的變化就是非線性的，因此需要設計一種算法來消除熱電偶的非線性[12]。

3.1 分段線性擬合

K 型熱電偶是一種在分段溫度下，熱電勢與溫度近似呈線性的一種溫度測量儀表[13]。將熱電偶“溫度-熱電勢”的關系進行分段線性擬合，分段擬合結果如圖8 所示。

圖8 熱電偶“溫度-熱電勢”關系線性擬合

擬合結果表明，熱電偶溫度與熱電勢的關系在0～500 ℃、500～1 372 ℃區間內線性度較好，但是在0 ℃以下有較大的非線性，導致熱電偶在全溫度測量范圍存在較大的非線性。因此通過對-260～0 ℃、0～500 ℃、500～1 372 ℃進行分段擬合來達到非線性校正的作用[14]。通過將數據帶入線性回歸方程驗證分段線性校正的準確度，擬合結果對比如圖9所示。

圖9 整體擬合與分段擬合結果對比

通過對結論的分析可知，分段標定前最大誤差達到90 ℃，而分段標定后誤差減小為40 ℃，所以分段標定對于采集精度有明顯提高，但使用分段標定擬合出的結果并不能切合熱電偶溫度與熱電勢的變換曲線[15]，因此只適用于對測溫精度要求不高的場合中，無法滿足設備的精度要求。

3.2 最小二乘法多項式擬合

通過對分段線性標定結果的分析，需要計算一個與“溫度-熱電勢”關系更加切合的回歸方程來盡可能提高溫度的采集精度。最小二乘法是通過數理統計原理求取變量之間回歸方程的一種統計方法[16]。在給定的一組離散數據(xi,yi),i=0,1,…,n中找尋一個函數：，使得。

對熱電偶溫度與熱電勢的關系進行分段多項式擬合，得出的系數如表1所示。通過將熱電勢分別帶入分段線性擬合公式和最小二乘法多項式擬合公式內，驗證其準確度，K 型熱電偶的輸入電壓為41.276 mV，經查詢分度值可知其溫度為1 000 ℃，帶入多項式擬合公式內，其結果為1 000.26 ℃，誤差為0.26 ℃，帶入圖8（b）中分段線性擬合公式內，其結果為995.33 ℃，誤差為4.67 ℃，出現這種誤差的原因為在標定溫度范圍內，溫度的變化是非線性的，而線性擬合忽略了這種微小誤差，導致線性擬合的結果與實際結果并不相符，所以通過最小二乘法多項式進行非線性校正極大地提高了溫度采集裝置的精度。

4 實驗分析與測試

在完成硬件電路和單片機程序設計后，為了驗證該設計的測量精度和可靠性，利用Omega 公司的CL3515R 系列溫度校準儀模擬熱電偶在各個溫度段下輸出的模擬電壓信號供設備采集，后通過計算機對采集數據進行存儲。試驗中同時對四路提供不同溫度的模擬信號，驗證采集裝置的準確性與可靠性，試驗結果如圖10 所示。實驗結果表明，設備的采集精度可達到±0.5 ℃，且各路間信號并無干擾。

表1 多項式分段擬合系數

圖10 實驗結果

5 結束語

該文分析了熱電偶溫度采集裝置中冷端補償、信號調理及非線性校正等因素對其性能的影響，并提出相應提高精度的解決辦法，對其進行優化設計，對更深入地了解高精度采集起到了很大的作用。實驗結果表明，該熱電偶溫度采集裝置能夠達到誤差小于0.5 ℃的精度，滿足高精度溫度采集等實驗和科研過程的需求。