一种具有自动校准功能的热电偶信号发生器

作者:金传喜;郭立峰;陈盼辉 刊名:电子测试 上传者:桑鹏

【摘要】针对热电偶测温仪表的测试与校准,设计了一种高精度热电偶信号发生器。该热电偶信号发生器采用虚拟仪器的结构,使用高精度的硬件电路设计方法,并集成16位电压测量单元,实现了电压输出电路的软件自动校准。测试表明,通过使用软件自动校准,能够将电压输出误差进一步降低并小于±0.01%FS。

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热电偶是一种利用不同种金属的连接点处产生的温差热电动势效应,并将温度转化为热电动势的一种温度传感器[1]。由于其测量温度范围宽、测量可靠性高等优点,已经在工业测温领域得到了广泛的应用。为了消除热电偶的基准接点环境温度不为零,以及热电动势与温度之间的非线性特性的影响,通常在热电偶测温仪表中集成有基准接点补偿电路和线性化校正电路[2][3]。目前对热电偶测温仪表的测试和校准有多种方法,其中最方便快捷的方法是基于热电偶的类型、测温点温度和基准接点温度等参数,按照热电偶产生热电动势的理想特性模拟其输出一个稳定的毫伏级电压,作为热电偶仪表的信号输入。本文利用上位机按照热电偶类型、测温点温度和基准接点温度等参数计算出对应的热电动势,并通过串口发送到下位机进行D/A转换并变换成相应的电压输出[4],同时在电路中增加了自动校准电路,能够在使用过程中对输出电路进行自动校准,进一步提高电压输出的稳定性。1电路设计1.1总体设计热电偶信号发生器主要由上位机、单片机系统、电压输出和电压测量电路组成。其中上位机主要运行基于Lab VIEW平台的虚拟仪器人机界面,并将设定的参数转换为最终的DA输出编码。下位机能够按照上位机发送的命令,对电压输出和电压测量电路进行输出调整和输出电压采集。1.2电压输出电路设计电压输出电路主要由DA转换器、电压基准源和运算放大器组成。DA转换器将DA输出编码转化为模拟的电流输出,通过两级运算放大器的处理,将输出范围调整为-5~20m V。具体电路如图1所示。本电路所选用的DA转换器采用了电流输出的16位R-2R结构,运算放大器U1B利用内部集成的反馈电阻,将DA转换器的输出电流转化为电压V1,其计算如下:其中:VREF为电压基准源的输出电压,D为上位机计算的DA输出编码,取值范围为0~65535。因此,当选用2.5V的电压基准源时,V1的变化范围为0~-2.5V。图1电压输出电路本电路主要针对J型和K型热电偶在0~350℃测点温度范围的输出电压,同时能够设置0~50℃的环境温度。当测点温度为0℃,环境温度为50℃时,输出电压达到最小值。当测点温度为350℃,环境温度为0℃时,输出电压达到最大值。通过查表,J型热电偶的电压范围为-2.585~19.090m V,K型热电偶的电压范围为-2.023~4.293m V。因此将输出电压的范围设定为-5~20m V,能够满足上述需求。运算放大器U1A与电阻R1、R2和R3构成反相加法电路,对电压输出范围进行调整。最终输出电压Vout计算如下:将电阻的参数代入公式,并消去V1,Vout的计算可以简化为:因此,基准电压为2.5V,D取值为0~65535时,输出电压Vout的范围为(-VREF/500~VREF/125),计算得输出电压范围为-5~20m V。1.3电压测量电路设计热电偶信号发生器输出的信号具有电压低(m V级)的特点,为了能够保证输出精度和稳定性,采用了高精度的电压产生电路,并且选用低温漂的元器件。为了能够进一步降低仪器因为长时间使用或者环境温度变化引起的输出漂移,本文增加了高精度电压测量电路,能够对输出电压进行测量,实现了信号发生器的自动校准功能。电压测量电路主要由仪表放大器、基准电压源和AD转换器构成,具体电路如图2所示。仪表放大器INA主要用来对信号进行放大,同时对信号的电平进行迁移,将参考点由0V迁移至2.5V,从而将输出信号的范围限定在0~5V,以满足AD转换器的输入条件。仪表放大器的放大倍数计算如下:本文选用增益控制电阻RG为1KΩ,放大倍数为51倍,能够将-5~20m V的输出电

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