通過計算分度函數(shù)及反函數(shù)實現(xiàn)熱電偶高精度測溫

作者：王昌世(南昌溫度測控實驗室，南昌 330002) 時間：2021-03-31 來源：電子產(chǎn)品世界

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編者按：提高測控精度是對溫控器的一個永恒要求。為此，要不斷地在設(shè)計中引入新技術(shù)。本文論述通過用嵌套乘法計算熱電偶的分度函數(shù)（溫度到電壓）及反函數(shù)（電壓到溫度）多項來進(jìn)行溫度補償和測量。此法比之常規(guī)的查分度表或在表中做線性插值的方法，精度又有提高，可達(dá)0.01℃。ARM Cortex-3結(jié)構(gòu)的高性能32位微處理器STM32F103則能保證很好地完成這種計算（保持14位有效數(shù)字）。重點是講述此測溫方法在STM32F103上編程實現(xiàn)，包括算法。

作者簡介：王昌世(1957-)，男，碩士學(xué)歷，高級自動化工程師，主要研究方向為溫度測量與控制，E-mail:wcs_n3@163.com

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202103/424095.htm

0 引言

常規(guī)的熱電偶（簡稱TC）測溫方法是由電壓直接查分度表（電壓- 溫度表）（精度最低）或在表中進(jìn)行線性插值（要高一些）得到溫度值。前者分辨率不高于1 ℃，此法可用在精度要求不高的場合；后者可把分辨率提高一個數(shù)量級或更多，且線性插值的密度越高，測溫精度也越高，但同時程序量加大很多。熱電偶的國家標(biāo)準(zhǔn)[1] 是標(biāo)準(zhǔn)^[2] 的替代，其中^[1] 首次提到熱電偶函數(shù)多項式計算的嵌套乘法。該算法的提出，有較大實際意義，它為日后TC 高精度測溫的普及，提供了一種簡便實用的方法。

1 熱電偶的分度函數(shù)與反函數(shù)多項^[1]

1.1 熱電偶的分度函數(shù)（簡稱函數(shù)）多項^[1]

特別注意，唯K 型熱電偶特殊，當(dāng)t₉₀ 在0~1 300 ℃時，要在式（1）之上增加了一項（稱為指數(shù)項），變成：

式（1）、（2）中E 是電動勢（簡稱電壓），單位是微伏（μV）；t₉₀ 是ITS90 的溫度，單位是攝氏度（℃）；ai 是多項式第i 項系數(shù)；c c 0 1 ，是常數(shù)[1]；n 是多項式階數(shù)。ai 和n 的值根據(jù)TC 的類型和溫度的范圍確定。式(1)、（2）反映的就是熱電偶基本原理- 熱電效應(yīng)（或塞貝克效應(yīng)）。常見的分度表就是由這個函數(shù)得到的。

1.2 熱電偶的反函數(shù)多項^[1]

式中E、t90 和n 的含義同上。di 是多項式第i 項系數(shù)；di 和n 的值根據(jù)TC 的類型和溫度的范圍確定。

1.3 用嵌套乘法計算式(1)

將式(1) 展開，有

做恒等變形有：

式(4) 就是函數(shù)的嵌套乘法的算式。同理可得反函數(shù)的嵌套乘法計算法：

嵌套乘法能有效避免直接計算多項式帶來的舍入誤差^[1]。

2 TC高精度測溫流程

如圖1 所示。

2.1 冷端補償

補償方法可參見文獻(xiàn)^[3]。

1）選擇測溫芯片

對于高精度測溫，選用冷端^[1]（也稱參比）溫度測量芯片也是一個關(guān)鍵，要用高于你要求的精度的芯片，如可用Si705^[2], 分辨率可達(dá)0.1 ℃。也可用精度更高的TMP275 (最高可達(dá)0.065 ℃）[4]和ADT7410 (0.007 8 ℃ )^[5]。

2）要有流程中的第2、4 步，是因為熱電偶的函數(shù)關(guān)系式（1）是非線性的，所以不能簡單地取消2、4 步，而直接把Tcj 加到最后一步的t 中, 完成補償^[3]（這樣也可以，但精度降低）。

2.2 TC電壓測量

這個測量也必須是高精度的：①選擇允差最高級別的熱電偶；②選擇分辨率高的ADC，可選LTC2486（17 位）。

3 編程實現(xiàn)

3.1編程環(huán)境

在IAR 7.20.5.624 版下進(jìn)行，用最新在2011 年發(fā)布的3.5.0 版庫函數(shù)，語言為C。

熱電偶函數(shù)或反函數(shù)的多項式系數(shù)大多都很小，如K 型， d9 =-1.0527551-35。^[1] 為適應(yīng)這種情況，計算多項式時，必須采用C 中最高精度的數(shù)據(jù)類型double（8個字節(jié)表示一個數(shù)）。在STM32F103 中, 當(dāng)用double類型且為科學(xué)計數(shù)法表示一個數(shù)時, 會如表1 所示。

從表中可以看到STM32F103 當(dāng)數(shù)字≥ 0.9 時，可以保證15 位有效數(shù)字的精度，在15 位后，開始產(chǎn)生舍入誤差；當(dāng)數(shù)字<0.9 時，可以保證14 位有效數(shù)字的精度。這對于0.01 ℃分辨率的要求已足夠。對于8 位的MCU，在進(jìn)行此類雙精度運算時，則要注意能否保證精度要求。

3.2 編程

編程時，要同時熟悉文獻(xiàn)[1]，它是編程的對象。下面以E 型熱電偶為例。

3.2.1 函數(shù)式(1)的編程。

1）函數(shù)名double TC_TemperatureToVoltage (double t).入口參數(shù)為溫度t(℃ ); 出口參數(shù)是電壓E（mV）。

2）算法

①設(shè)置15 個局部變量，其含義同上：double

a₁，a₂，a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉,a₁₀,a₁₁,a₁₂,t,E

②依據(jù)t 的不同范圍（2 個：-270~0 ℃和0~1 000 ℃）分別設(shè)置不同的系數(shù)值（ a1 ~ a13 或a1 ~ a10 ）和階數(shù)（n=13 或n=10）^[1]

③讓E=0；

④開始式(1) 的嵌套乘法計算，先計算起始項：

E=a₁₃+ E或a₈+E ；

E=t×E;

⑤再計算

E=a12+E或a₇+E；

E = t × E ;

……

⑥直到

E = a × E 1 ;

E = t × E ;

⑦將微伏的E 轉(zhuǎn)成毫伏；

⑧返回E。

結(jié)束。

特別注意，對K 型熱電偶，不要忘記加上指數(shù)項

c c t 0 1 90 ×exp[ ×( ?126.968 6)2 ]。

3）程序

編程不復(fù)雜，略。

3.2.2 反函數(shù)式(3)編程。

函數(shù)名 double TC_VoltageToTemperature

(double v);

算法和程序略，類似計算函數(shù)式(1)。

3.2.3 熱電偶高精度測溫編程。

1) 函數(shù)名float TC_MeasurementTemperature(void)

2）算法

①用測溫芯片讀出冷端溫度(℃）[3];

②調(diào)用函數(shù)double TC_TemperatureToVoltage(double t)，由Tcj 得到冷端補償電壓Ecj ：Ecj = TC_TemperatureToVoltage ( Tcj )；

③通過溫控器的ADC 電路，讀出熱電偶的輸出電壓值Etc ；

④合并E_cj到E_tc，即讓E_tc=E_cj+E_cj；

⑤調(diào)用函數(shù)double TC_VoltageToTemperature (doublev)，由得到測量端溫度

t = TC_VoltageToTemperature ( Etc )；

結(jié)束。

3）程序

略。

圖2 能分辨0.01℃的E型熱電偶溫控器

4 結(jié)論

直接用熱電偶函數(shù)及反函數(shù)來做測溫計算，從源頭上解決了TC 的函數(shù)關(guān)系的非線性、查分度表或在表中做線性插值給測溫帶來的誤差。以E 型熱電偶為例，在-200~1 000 ℃的范圍內(nèi)，最大分辨率可達(dá)0.01 ℃ ,最小也可達(dá)0.022[1] 使用該方法的高精度測溫記錄如圖2 和表2 所示，數(shù)據(jù)與理論分析基本一致。圖2 和表2測量的為室內(nèi)環(huán)境溫度。當(dāng)然，這樣的結(jié)果要求相關(guān)的測溫硬件電路也必須是高精度的。測試說明：測試時，為保持環(huán)境溫度相對穩(wěn)定, 要減少空氣流動，減少熱源。所以關(guān)閉門窗( 只留小縫隙) 和電腦等。并在溫度穩(wěn)定后（約10~15 min），開始測量。

5 結(jié)語

近2 年本實驗室對溫控器高精度測溫做了一些技術(shù)性探索總結(jié)且已成文。下一個目標(biāo)，將是高精度控溫，向0.5%FS 乃至0.1%FS 控制精度前行。

最后，要特別感謝國標(biāo)《GB ∕ T 16839.1-2018 熱電偶第1 部分：電動勢規(guī)范和允差》的相關(guān)單位和個人。此國標(biāo)有最重要的指導(dǎo)作用，是對我國的熱電偶測溫事業(yè)的重大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會,GB∕T 16839.1-2018 熱電偶第1部分:電動勢規(guī)范和允差[S],北京,中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2018:3,2,64,5,67,1,67.

[2] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會,GB∕T 16839.1-1997 熱電偶第1部分：分度表[S],北京,中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.1997.

[3] 王昌世.高精度溫度芯片Si7051在熱電偶補償中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界,2020,27(1):69-73。

[4] TMP275±0.5°C Temperature Sensor With I 2C and SMBus Interface in Industry Standard LM75 Form Factor and Pinout[M/OL].Texsas Instrsments,2014-11:1[2019-10-8]. https://

www.ti.com/lit/ds/sbos363f/sbos363f.pdf?ts=1600335313639&ref_url=https%253A%252F%252F

www.google.com%252F.

[5] ±0.5°C Accurate, 16-Bit Digital I 2 C Temperature Sensor[M/OL].Analog Device Incorporation,2014-11:1[2019-10-8].https://www.anlog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADT7410.pdf.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期）