热电偶测温采集精度的影响因素及优化方法

（中冶长天国际工程有限责任公司 国家烧结球团装备系统工程技术研究中心，长沙 410007）

在钢铁冶金领域，温度是非常重要的参数，热电偶具有准确度高、响应时间快、测温范围广、成本低廉和使用寿命长等优点，因而成为钢铁冶金领域温度检测元件的首选。热电偶的测温精度对工业生产过程控制有着至关重要的意义，影响热电偶测温精度有多方面的因素，除了热电偶材质的影响、安装位置是否合适、安装方法是否合理、热电偶补偿导线的材质等之外，还主要包括二次采集元件端（例如热电偶二次仪表、PLC热电偶模块等）的因素，如热电偶信号采集电路、信号非线性化处理技术及合适的冷端补偿方法等。本文着重从以上3个因素分析热电偶信号采集精度，并提出合理的优化方法。

1 热电偶的基本工作原理

把2根不同材质的导体或半导体（A和B）焊接起来组成一个闭合回路，该闭合回路叫热电回路。当两接合点处于不同温度T1和T0时，回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端），冷端与测量仪表连接。当热端与冷端有温差时，测量仪表便能测出被测介质的温度[1-2]。热电偶的热电势随温度的升高而增大，其热电势的大小与热电偶的材质、热电偶两端的温度有关，而与热电极的长度、直径无关。热电偶工作原理如图1所示。

图1 热电偶工作原理Fig.1 Working principle graph of thermocouples

2 热电偶信号采集精度分析

2.1 热电偶信号采集电路分析

热电偶信号是变化缓慢的微弱微伏级信号，信号在传输过程中，容易受到外界的电磁干扰，因此热电偶测温仪表采集热电偶信号时，其信号前端需要增加信号调理电路，提高电磁抗干扰能力，并且信号采集需选用高精度、高可靠的AD转换器，同时AD转换器的基准电压源要求选用高精度、低漂移的基准电压源，并且热电偶信号更需要采用差分信号输入来消除热电偶线路上的大部分共模噪声，通过以上合适的电路优化设计才能保证热电偶信号采集精度的要求。

2.2 热电偶信号采集电路的优化方法

热电偶信号采集优化方案从以下3个方面考虑：

信号调理电路信号前端设计差分低通滤波器和共模滤波器，滤波器可以采用电阻和电容等无源器件构成，滤波器的截止频率决定了阻容值的大小，也可以考虑采用有源滤波器，采用低失调、低温漂的运算放大器构成有源滤波器，并且运算放大器输入阻抗高，输出阻抗低，可以提供良好的隔离性能，并可提供所需增益。

AD转换器选型AD转换器宜选用高分辨率、低噪声、高共模抑制比、带差分输入通道、内置可编程增益的AD转换器。分辨率越高，采集精度越高，但是器件成本会增加，采集系统应该根据信号波动的最小值来选择合适的分辨率。例如热电偶S分度，其变化1℃最小值是5 μV，则最低有效位LSB必须低于5 μV。

AD转换器的基准电压源AD转换器的基准电压源可以选择内置或者外部单独接1个基准电压源，基准电压源要求低温漂、高精度、低噪声。内置基准电压源精度一般，若想更高精度的基准电压源，则要求选择外置的电压源。

以AD7793精确测量热电偶信号来举例说明。AD7793适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置1个低噪声、带有3个差分模拟输入的16位∑-Δ型ADC，它集成了片内低噪声仪用放大器，并且增益可设置。

AD7793测量热电偶信号电路如图 2所示。AD7793的差分输入用于消除热电偶线路上的大部分共模噪声，组成差分低通滤波器的R1，R2，C2放置在AD7793的前端，可以消除热电偶引脚上可能存在的拾取噪声。R1，R2，C1和C3电容组成共模滤波器，可以提供额外的共模滤波。基准电压源选用ADI公司的AD3425，AD3425是低成本、低功耗、高精度基准电压源，具有±0.1%的初始精度。

图2 AD7793热电偶信号采集电路Fig.2 Signal acquisition diagram of thermocouples by AD7793

当AD7793配置为单极性工作模式时，模拟输入电压信号计算公示为

式中：AIN为模拟输入电压；GAIN为仪表放大器增益；N为ADC的转换位数；VREF为基准电压源。

显然，基准电压有漂移会影响到热电偶信号的采集电压值。转换位数越大，最低有效位LSB越小，采集精度就越高，以基准电压 2500 mV为准，AD7793最低有效位LSB为38.147 μV，若AD转换器更换为 24位的 AD7792，最低有效位 LSB为0.149 μV，精度提高了256倍。

3 热电偶信号的非线性处理

3.1 热电偶信号的非线性处理

测温仪表采集的热电偶的热电势必须经过冷端补偿修正，才能得到参考温度0℃情况下热电偶的热电势，修正公式为

式中：E（T，0℃）为被测介质在参考温度0℃时实际温度T℃对应的热电势，mV；E（T，t0）为在恒温t0下测得的热电势，mV；E（t0，0℃）为在参考温度0℃时恒温t0时热电偶的热电势，mV。

经过修正后的实际热电势，根据热电偶分度表，可以查出对应的被测介质的实际温度[3]。查表法适用于易于存储大量数据单元、计算速度快的计算机系统，但难以适用于数据存储空间有限且CPU运算速度较慢的测温仪表等嵌入式系统，若嵌入式系统采用查表法，会占用较大的存储空间，并且查表时间比较长，满足不了测温实时性的要求。

由于热电偶的热电势与温度信号呈现出较高的非线性关系，不能用线性函数表示两者的关系，如果不作线性化处理，直接根据热电势查找热电偶分度表，查找工作量巨大，不适合嵌入式热电偶采集系统，因此需要对热电偶的热电势和温度信号作线性化处理，减少运算工作量[3]。

从热电偶信号的非线性特点出发，热电偶温度信号的线性化采用分段近似斜率法，该方法适合于嵌入式系统，并且精度高、运算量少、不占用较大存储空间。

3.2 非线性处理的优化方法

热电偶信号的非线性处理采用分段近似斜率法。分段近似斜率法是将热电偶在某一区间内的温度差与此区间内电势差所对应的线性转换值作为该区间的校正斜率，再加上该区间的初值，得到非线性校正公式为

式中线性转换值为经过冷端补偿后的热电偶的热电势，如式（2）中的E（T，0℃）值。

为了提高热电偶测温精度，分段区间做的越多，热电偶计算值与实际值误差越小、精度越高，但是分段区间多会增加计算运行时间，具体分段数目需根据热电偶采集精度的实际需要以及CPU的主频速度来决定。

以K分度热电偶为例，假设把热电偶0℃～1372℃分为17段，每一段有起始温度值、起始温度值对应的电势、终点温度对应的电势，以及该段的斜率[4]。具体分段如表1所示。

表1 K分度热电偶分段表Tab.1 Subsection table of K index thermocouples

计算公式为

式中：Tabs为热电偶的热端绝对温度，℃；Eabs为参考温度0℃时热电偶的热端绝对热电势，μV；EAi为参考温0℃度时该区间段的起始热电势，μV；Ki为该区间段的斜率，μV/℃；Tqi为该区间段的起始温度，℃。

假设采用式（2）实现冷端补偿后的K分度热电偶的热电势为41859 μV，显然该值落在第12分段区间，其初始温度值为950℃，斜率39 μV/℃，该区间段的起始热电势为39314 μV，根据式（4）可得实际温度值为Tabs=（41859-39314）/39+950=1015.3℃。

查表可得，41859 μV对应的温度值为1015℃。查表值与分段斜率计算值相差0.3℃，达到了非线性化的目的。显然分段近似斜率法可以通过软件编程实现，易于在嵌入式系统上实现。

4 热电偶的冷端补偿

4.1 热电偶的冷端补偿分析

根据式（2）可知，热电偶必须经过冷端温度补偿才能获得被测介质实际温度对应的热电势，根据此热电势才能计算出真实的温度值。显然，冷端温度的精度会影响到热电偶的测量精度，若冷端温度测量误差较大，会造成热电偶的测量温度值误差较大。冷端温度补偿目前常用的方法有3种。

（1）直接测量冷端温度法

冷端温度值直接采用温度传感器测量，测温仪表一般采用热电阻测量冷端温度，然后利用式（2）获得最终的实际温度对应的热电势，最后利用线性化处理方法，获得实际温度值。

（2）电桥补偿法

电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度不在0℃时引起的热电势变化值。使用补偿电桥时，应注意以下几点：①不同分度号的热电偶要配用与热电偶同型号的补偿电桥；②补偿电桥与热电偶、电源和测量仪表连接时，要接线正确，特别是电源正、负极不可反接；③不平衡电桥的输出电压随直流电源的电压而变，因此直流电源的电压要恒定不变[5]。

（3）集成冷端补偿的芯片

集成冷端补偿的芯片主要包括精密热电偶放大器和热电偶AD转换器。

例如AD8495是一款集成冷端补偿的精密热电偶放大器，内部带有固定增益放大器，以提供5 mV/℃输出，该放大器具有高共模抑制性能，能够抑制热电偶的长引线可能拾取的共模噪声。针对K型热电偶作了预校准，只适合于K型热电偶测量。

MAX31855是一款集成冷端补偿的AD转换器，器件输出14位带符号数据，SPI接口，转换器的温度分辨率为0.25℃，具有热电偶开路检测功能，以及热电偶对GND或VCC短路检测功能。每款芯片只针对某一类型的热电偶测量，其灵活性不够。

4.2 热电偶的冷端补偿优化方法

冷端补偿采用电桥补偿法实现，其灵活性不够，不同热电偶需要配与热电偶同型号的电桥，并且不平衡电桥的输出电压随直流电源的电压而变，因此直流电源的电压要恒定不变，对直流电源的精度要求比较高，基于以上缺点，目前电桥补偿法很少使用。

集成冷端补偿的热电偶采集芯片的优点是集成冷端补偿，芯片体积小，具有热电偶开短路检测功能，但是其转换精度由芯片本身决定，只针对某一类型热电偶作了冷端补偿预校准，系统不能通过软件来修改热电偶采集类型。

采用温度传感器采集冷端温度作冷端补偿，温度传感器可以选择高精度、高可靠、低温漂的传感器，采集到的冷端温度再转换成某一类型热电偶在该冷端温度下的热电势，系统利用式（2）实现了冷端补偿，并且系统可以通过程序设置测温仪表采集某一类型的热电偶，因此，该种方法灵活性好、精度高，可以用于多种类型热电偶信号采集。

5 结语

综上所述，热电偶信号二次元件端采集精度主要取决于3个方面的因素，包括热电偶信号采集电路，热电偶信号的线性化以及热电偶的冷端补偿。任何一个因素处理不当都会影响到热电偶信号采集的精度，本文通过以上3个方面给出的优化方法，可以极大地提高热电偶信号二次元件端的采集精度，从而提高热电偶的测温精度。随着集成电路的高速发展，集成冷端补偿、高共模抑制能力、高精度、抗干扰能力强、可配置为多种类型热电偶测量的AD转换器以后会越来越得到广泛的应用。

[1]张明春，肖燕红.热电偶测温原理及应用[J].攀枝花科技与信息，2009，34（3）：58-62.

[2]王彦明，郝彦军.热电偶测量误差分析[J].中国仪器仪表，2013，38（8）：56-60.

[3]张海涛，罗珊，郭涛.热电偶冷端补偿改进研究[J].仪表技术与传感器，2011（7）：11-14.

[4]邱立运，曾小信，曾俊然.嵌入式系统在回转窑测温技术中的应用[J].自动化与仪表，2014，29（6）：45-48.

[5]钱进.热电偶温度传感器冷端补偿和信号线性化[J].长江工程职业技术学院学报，2004，21（2）：32-34.