基于单片机的K型热电偶冷端自动补偿设计

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1、第22卷第1期机电产品开发与创新Vol．22,No．12009年1月Development＆InnovationofMachinery＆ElectricalProducts·测试与控制Jan．,2009·基于单片机的K型热电偶冷端自动补偿设计汪定江，王东锋，杨后川（空军第一航空学院，河南信阳464000）摘要：以单片机强大的数据处理功能为基础，以试验数据的拟合而不是理想集成运放的计算公式为测量依据，提出了检测环境电势和现场电势的新方法，并根据两者之和即为热电偶标准电势这一基本依据，设计了热电偶冷端自动补偿系统的硬件及相关软件。由

2、于采用了软件对各电势信号处理，大大简化了传统补偿电路，使硬件设计仅包括环境温度测量、现场电势测量及单片机的信号处理三个模块，并且显著降低了成本。仿真及试验结果表明，本补偿系统可使控温最大偏差<5℃。关键词：K型热电偶；冷端补偿；单片机；热端温度中图分类号：TP368文献标识码：A文章编号：1002－6673（2009）01－123－03时，为热端温度（热源温度）的单值函数。因为通常工0引言作温度是由冷端为0℃时的标准热电势来反映的，所以热电偶在热处理炉温控制、航空发动机排气温度检需要对非0℃的冷端进行温度补偿。其依据是所谓的中[

3、1]间温度定律[1]：测等100~1300℃较高温度测量领域有着广泛应用，其测量精度意义重大。由于反映热电偶所测热源温度的热已知：热电偶的热端温度为T（℃），冷端温度为0℃时电势是在其冷端温度为0℃时测量的[2]，而实际应用中，的热电势为E（标准电势）。如果：①该热端温度为Tn（环热电偶冷端温度往往不是0℃，并可能受环境影响而境温度），冷端温度为0℃时的热电势为E1（环境电势）；②在-50~+50℃范围内变化，这种大幅度的环境温度变化该热电偶的热端温度为T，冷端温度为Tn时的热电势为可使热电偶的测量产生巨大误差，如不进行冷端补偿

4、，E2（现场电势）。那么：必将严重影响产品质量和设备状况的精确监控[3]。传统E=E1+E2（1）的热电偶冷端补偿方法是在使用前根据环境温度进行调根据该定律，只要设法测出环境电势E1，并将其与零，但即使在一个工作日内的环境温度变化也很大，如热电偶测出的现场电势E2求和，即可计算出对应热源早上和中午的温差可能超过10℃，人工不可能随环境变温度的标准热电势E，并由已知试验结果确定出热端温化而对热电偶进行时时调零。除此以外，进行冷端补偿度T。的电路往往非常复杂，除了需要专用集成电路和传感器2环境电势测量及其硬件实现以外，还必须附加众多

5、的电阻、电容和集成运放等外围元件，大大增加了电路成本和体积。显然开发一种线路因为热电偶的环境电势是环境温度的单值函数，所简单、测量可靠并能实现冷端自动补偿的热电偶测温仪以只要利用热电阻等温度传感器测出环境温度，就可以表，对于工业生产和科研实践具有重要的实用意义。为由已知的试验结果确定出环境电势。对K型热电偶，其此，本文基于单片机对热电偶冷端的自动补偿进行了设环境电势随环境温度的变化关系可由试验数据的最小二计，以期对热电偶的应用领域提供参考。乘拟合得到。其计算公式如下：E1=0.0392·Tn+0.0340（2）1冷端温度补偿的基

6、本原理式中：E1—热电偶的环境电势（mV）；Tn—环境温度热电偶的热电势在电极材料和冷端温度保持不变（℃）。式（2）适用的温度范围为-50~+50℃，其拟合曲线见图1，可见该拟合关系具有很高的精度。收稿日期：2008－11－24式（2）中的环境温度Tn可由图2所示的电路实现。其基金项目：武器装备军内维改项目（KJ08210）中R22、R16、R17和R18组成测温电桥，其输出信号作者简介：汪定江（1962-），男，湖北恩施人，教授。主要接差动集成运放μA741。R18为WZB型铂热电阻（0℃从事航空装备维修的教学与研究工作。12

7、3·测试与控制·3时，标称电阻值为集成运放的公式确定，而应依据试验建立。本文由数据2100Ω），R16为68Ω标拟合而确定的现场电势计算公式如下：V1/m势准电阻。该电路可以获E2=16.3017·Vo2-1.2603（4）0电境-1得近似恒流法的线性输式中：E2—现场电势（mV）；Vo2—检测电路的输出电环试验数据-2出电压Vi2和Vi3。显然压（V）。将Vo2经A/D转换后的数字量送入单片机，即可-3与热电阻R18存在由式（4）计算出现场电势E。-50-30-10103050Vi32环境温度/℃图1环境温度与环境电势的线性关

8、系，所以热电阻4热端温度计算及其信号处理电路拟合曲线随温度的变化可以线性地反映到输出端Vo1。通过试验测出不同温度下的输出在确定了环境电势E1和现场电势E2后，既可由式电压Vo1，将试验结果拟合可确定出环境温度Tn与输出（1）确定热电偶的标准1400电压Vo1的