一种具有自动校准功能的热电偶信号发生器

金传喜, 郭立峰,陈盼辉

（1.海军工程大学 核能科学与工程系，湖北武汉，430033）

一种具有自动校准功能的热电偶信号发生器

金传喜1, 郭立峰1,陈盼辉1

（1.海军工程大学 核能科学与工程系，湖北武汉，430033）

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。

热电偶；虚拟仪器；自动校准

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LabVIEW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-5～20mV。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-2.585～19.090mV，K型热电偶的电压范围为-2.023～4.293mV。因此将输出电压的范围设定为-5～20mV，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-5～20mV。

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（mV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-5～20mV的输出电压转化为-255～1020mV。由于AD转换器的输入信号范围为-2.5～2.5V为了能够达到最高的转化精度，将AD转换器内部的程控增益放大器的放大倍数设置为2倍，将电压范围转化为-510～2040mV。

图2 电压测量电路

2 软件设计

2.1 上位机软件设计

本文使用LabVIEW作为上位机编程平台，上位机软件主要由人机界面和控制算法组成。软件通过人机界面获取相关参数，控制算法通过获取的参数计算得到DA控制码，并通过串口发送到下位机。

控制算法主要包括开机校准和控制码计算两部分。在系统调试的过程中，需要使用高精度的电压表对AD进行校准，即确定AD采集码与电压的对应关系。为了避免DA转换器在零点和满量程附近的非线性特性的影响，所有校准过程均选取DA输出码为100和65435的两个点进行。

系统调试时，首先控制DA输出100，记录此时AD转换器的测量值A1和电压表的测量值Vm1，然后控制DA输出65435，再次记录AD转换器的测量值A2和电压表的测量值Vm2。在软件中通过拟合模块便能确定AD转换器的测量值与实际测量电压的关系。在开机自校准过程中，软件将自动控制DA输出100，同时根据此时的AD测量值和上述拟合关系确定低点输出电压VL，然后控制DA输出65435，再根据AD测量值和拟合关系，确定高点输出电压VH。因此，通过两组DA输出码和高低点电压值便能确定DA输出码与最终输出电压V之间的关系，并以此作为DA输出码计算过程中的拟合条件，DA输出码D计算如下：

输出电压的计算参照NIST Monograph 175，使用公式节点进行计算，由于上位机的计算优势，能够快速、精确地对较为复杂的多项式进行计算，并且计算的电压值能够精确到1uV。

2.2 单片机程序设计

单片机程序分为主函数和串口中断两个部分，主函数在上电过程中完成启动以及各个模块的初始化工作，在正常运行阶段以串口中断函数为主。单片机通过串口中断快速响应上位机的发送的数据，并按照协议进行相应的操作。其流程图如图3所示。

图3 单片机串口中断流程图

3 测试数据及分析

3.1 测试方法

首先，使用台式多用表3458A对AD转换器进行校准。通过测试，低点电压VL为-4.3471，对应AD测量值为26974，高点电压VH为20.3116，对应测量值为59870。

然后将测得数据写入软件，并重新生成并运行程序。设定环境温度为0℃，按照0～350℃的范围，间隔10℃输出电压，使用台式多用表3458A进行测量，并记录数据。

3.2 数据记录

测试数据记录如表1所示。

3.3 数据分析

表1记录的测试数据表明，最大的电压输出误差为输出130℃温度对应的-1.6uV，对应的满量程误差为-0.0084%FS。

4 结论

本文设计的热电偶信号发生器自校准功能能够在每次软件开始运行时使用AD对电压输出电路进行校准，将时间累计误差和由于环境温度引起的输出电路误差消除，使系统的误差仅与AD测量误差有关。通过使用低温漂元器件和高精度的电路结构，控制AD测量误差，从而提高热电偶信号的输出精度。因此，使用软件自动校准替换了电位器手动校准，在使用过程中操作方便，精度和稳定性进一步提高，能够更好地应用于热电偶测温仪表的测试与校准。

[1]松井邦彦.传感器应用技巧141例[M].梁瑞林,译.北京:科学出版社, 2006.

[2]杨宇, 郝晓剑, 周汉昌. 热电偶动态校准及动态补偿技术研究[J]. 光电技术应用, 2013,28(6):77-80.

[3]卢鹰斌. 基于数字化补偿的热电偶测控系统[J],工业控制计算机, 2013,26(10):44-46.

[4] 陈盼辉, 陆古兵, 金传喜, 杨洪立. 热电偶毫伏信号发生器的设计与实现[J]. 测控技术, 2012,31(2):9-11.

A Thermocouple Signal Generator with the function of Automatic Calibration

Jin Chuanxi1,Guo Lifeng1,Chen Panhui1
（1.Department of Nuclear Science and Engineering Naval University of Engineering，Wuhan 430033, China）

Aims to the testing and calibrating for the temperature measurement based on thermocouples, a high precision thermocouple signal generator is designed. It contains a 16 bit voltage measurement unit to achieve the function of automatic calibration and designed with the structure of virtual instrument and the design method of high precision. The test shows that the error of voltage output is further reduced to less than ±0.01%FS with the automatic calibration.

Thermocouple; Virtual instrument; Automatic calibration

表1 测试数据记录

TP216

A

金传喜（1975- ），男，讲师，主要研究方向:仪器仪表与测控技术。