热电偶测温的线性化处理

实验七热电偶的冷端补偿与线性化热电偶本身虽然可以产生温差电动势，但它本身的结构无法进行高精度的温度测量，其原因在于热电偶的输出电压与温度之间的关系不是一条直线，即呈现出非线性。

因此测温时需要线性化。

另外，理论上热电偶是冷端以0℃为标准进行测量的。

然而，通常测量时仪表是处于室温之下的，但由于冷端不为0℃，造成了热电势差减小，使测量不准，出现误差。

因此为减少误差的措施就是冷端温度补偿，冷端温度补偿就是在测温点加上一个与基准接点温度相当的热电动势，使两接点间的温差热电动势仍保持在基准点为0℃时的数值。

这个实验里仿真使用K型热电偶的测温电路。

实验的原理图如下。

这个电路中包含了冷端补偿电路与线性化电路。

冷端补偿电路是虚线框中表示的这一部分，如下图。

此实验采用了PN结构成的热电偶冷端温度补偿电路。

PN结在-100℃~100℃范围内，其端电压与温度有比较理想的线性关系。

温度系数为2mV/℃。

采用二极管做冷端补偿时，精度可达到0.3℃~ 0.8℃。

以K型热电偶为例，补偿过程是这样的：由于环境温度从0℃上升到30℃导致热电偶电动势下降1.203mV。

故要给热电偶叠加上1.203mV。

因为二极管PN结的温度系数是2mV/℃。

从0℃到30℃二极管的端电压变化了60mV，而热电偶只需1.203mV的补偿。

60mV是1.203mV的50倍，即把二极管端电压变化减小到1/50。

故使用电阻分压使R5/（R4+R5）=50。

K热电偶的分度表如下图。

下面利用高次多项式实现线性化。

假设热电偶电动势为E，温度为T，系数为α0，……，αN，那么就可以近似的标识为：E =α0 +α1T+α2T2+……+αN T N通过展开高次幂级数的方式可以制作出线性化电路。

其中，幂级数越大，精度就越高，成本也越高，制作起来越麻烦。

因此通常只取到2次幂。

虽然如此，线性化的精度也相当高了。

根据前面的分度表可以得出热电偶热电动势的近似表达式：V OUT = -0.776 + 24.9952V IN – 0.034733V IN2（mV）根据上式出当600℃输入热电偶的热电动势为V IN = 24.902mV，电路将会有600mV的输出。

热电偶测温原理及误差分析摘要：温度是一个重要的物理量，许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程均在一定温度范围内进行，所以在国民经济各个领域中，必然会遇到有温度测量的问题。

而热电偶具有结构简单，制造容易，量方便等优点，在温度测量中得到广泛地应用。

它基于物体的热电效应，将温度信号转换成电压信号进行传递，这种测温方式不仅可以远距离传递，而且能够集中检测和控制。

但要得到正确的测量结果，必须认识热电偶的性能和使用方法，否则将会带来很大的误差。

关键词：热电偶测温；原理及误差温度是工业生产过程中最重要的检测参数之一.热电偶作为一种最简单、最普通的温度传感器，以其测温范围广，从-200～ +1600 ℃，甚至高达 2800 ℃，能将温度信号转换成电压信号，实现远传的特性，为其他温度传感器所无法替代.由于热电偶测温系统结构复杂，使用中还需注意冷端补偿和线性化处理，随着计算机和现代测试技术的发展，利用计算机软件对热电偶进行冷端补偿和线性化处理逐渐走上主导地位.尽管热电偶测温系统在设计时已采用了各种办法来降低误差，但实际工作中，由于热电偶长期所处工作环境恶劣，若在使用中不注意其应用定则，或安装不正确，极有可能给测量带来很大误差或故障，导致系统工作紊乱，造成产品质量、设备安全事故。

1.测量误差剖析及处理对策1.1 热电偶本身产生的误差（1）热电偶热容量变化.案例1：某厂退火炉的温度检测系统正常运行一段时间后，发现该被测温度的显示值总是滞后于炉膛的温度变化，经检查，是热电偶保护管结垢所致.分析：热电偶的接触法测温，要求与被测对象保持一定时间才能达到热平衡.保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关.而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件.因热电偶长期工作在环境恶劣的高温气氛中，保护管表面沉积的灰尘、炉渣等被烧熔在表面上，使保护套管结垢，热阻抗增大，导致热电偶的热容量增加，时间常数加大，延长了热电偶的响应时间，使热端的温度变化总是滞后于被测温度的变化，产生热响应误差.不仅使指示温度偏低.而且还造成测量滞后，控制系统的实时性较差.解决的办法是更换热电偶或定期检修。

减小热电偶测温误差的温度补偿方法
要减小热电偶测温误差，可以采取多种温度补偿方法，以提高
测量的准确性和可靠性。

以下是一些常见的温度补偿方法：
1. 冷端补偿，热电偶的冷端温度会影响测量结果，因此可以通
过在冷端安装温度传感器来实时监测冷端温度，并进行补偿计算，
以消除冷端温度对测量结果的影响。

2. 环境温度补偿，热电偶所处的环境温度变化也会对测量结果
产生影响，可以通过在热电偶附近安装环境温度传感器，实时监测
环境温度并进行补偿计算，以消除环境温度变化对测量结果的影响。

3. 线性补偿，热电偶的输出信号与温度之间的关系并非完全线性，可以通过采用线性化技术，对热电偶输出信号进行修正，使其
更加符合线性关系，从而减小测温误差。

4. 非线性补偿，除了线性化外，还可以采用多项式拟合等方法
对热电偶输出信号进行非线性补偿，以进一步提高测量的准确性。

5. 长期稳定性补偿，热电偶在长时间使用后，性能可能会发生
变化，可以通过定期校准和修正来保持其测量准确性。

总之，通过综合运用上述的温度补偿方法，可以有效地减小热电偶测温误差，提高测量的准确性和可靠性。

热电偶测温原理及线性化处理作者：石学伟来源：《电子世界》2013年第12期【摘要】温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度测试是教学实验与工业生产中经常遇到的问题。

热电偶温度传感器是将被测温度转化为热电动势信号输出，通过连接导线与显示仪表相连接组成测温系统，实现温度自动测量、显示或记录、报警及控制。

【关键词】热电偶；温度测量；线性化一、热电偶概述热电偶作为测温元件，其结构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高，可就地测量和远传。

目前约有50%的工程温度测控工作是用热电偶来完成的，特别是在钢铁、有色金属、火力发电站、航空发动机、原子能反应堆、石油精炼、化工、机械热处理等高温领域中，热电偶是最主要的测温手段。

热电偶传感器是利用“热电效应”制成的，利用两种不同导体组成闭合回路。

当闭合回路的两接点也就是热电偶的工作端和自由端分别处于不同的温度场中时，回路中将会产生电动势，产生的电动势只与工作端和自由端的温度差有关。

由于热电偶产生的热电动势与两端温度有关，只需将冷端的温度恒定，热电动势与热端温度构成单值函数。

在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的，因此必须采取一些相应的措施进行补偿，补偿导线法是将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所，相当于将热电极延长，根据热电偶回路中接入第三种导体，只要导体两端接点温度相同，回路中总的热电动势保持不变，这样只要热电偶和补偿导线的两个接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。

二、热电偶测温原理热电偶是热电偶温度计的敏感元件，它测温的基本原理是热电效应，又称塞贝克效应。

如图2.1所示，把两种不同的导体（或半导体）A和B连接成闭合回路。

当两接点1与2的温度不同时，如T>To，则回路中就会产生热电势EAB（T，T0）。

导体A和B叫做热电极。

两热电极A和B的组合称作热电偶。

在两个接点中，接点1是将两电极焊在一起，测温时将它放入被测对象中感受被测温度，故称之为测量端、热端或工作端；接点2处于环境之中，要求温度恒定，故称之为参考端、冷端或自由端。

测试中非线性问题线性化处理的方法摘要：检测系统的组建要考虑的一个问题就是线性化及处理。

基于此，浅析检测系统非线性产生的原因，介绍对检测系统和装置输出和输入量之间非线性关系进行处理的几种方法，以期在实际应用中优化检测系统的性能、减小测量误差。

关键词：检测系统；非线性；传感器在工程测试中，力求测试结果能定性定量地表示出被测量，为了方便地标定和数据处理，便于检测系统的制造、调校和使用，通常希望检测系统有线性输出。

但是实际的检测系统输入输出关系往往呈现出非线性特性，为了提高测量精度，增大测量范围，减小读数误差，则有必要对检测系统进行线性化处理。

1 传感器的非线性误差及其处理传感器是检测系统的最前沿装置，它的特性往往影响整个检测系统的性能优劣，理想的传感器输入输出关系是呈线性关系，但绝大部分传感器的输出量与被测量之间的关系是非线性的。

造成非线性的原因主要有：（1）传感器的转换原理为非线性，例如：热电偶测温，其热电势与温度之间的关系为非线性；热电阻输出的电阻变化量与温度之间的关系为非线性；在流量检测中，孔板输出的差压与流量之间也呈非线性。

（2）传感器结构参数等因素引起的非线性，例如：应变式传感器测压力时弹性元件的挠性模变引起的非线性；电感式传感器，磁性材料的磁化曲线呈非线性等。

（3）传感器的间隙、松动、摩擦、蠕变以及外界条件的影响造成非线性。

为了得到较好的输入—输出线性关系，在传感器的选用上应尽可能选取适合的转换原理呈线性关系的传感器。

适当减小测量范围以提高测量系统的线性度，很多传感器在全量程的测量中，输入输出特性曲线呈非线性，特别是在量程的较小和较大区域，非线性特性明显。

在情况允许的条件下，可取非线性曲线上线性比较好的一段，这种选取与检测系统测量精度的要求有关，当精度要求不太高的情况下，可以在相当宽的范围内都可近似为线性关系，精度要求越高，线性范围越窄。

当测量范围与精度要求不可取舍的情况下，则可利用多传感器进行非线性补偿，例如在进行湿度测量时，为了扩大湿度测量范围，将多个LiCl含量不同的湿敏电阻组合使用，将测量范围分别为（10%～20%）RH、（20%～40%）RH、（40%～70%）RH、（70%～90%）RH、（80%～99%）RH这五个器件配合使用，就可自动转换成整个湿度范围的湿度测量；如磁敏二极管，其输入输出特性曲线在磁场正向与反向时不对称，正向灵敏度大，反向时小，若采用特性相近的两只磁敏二极管按相反磁极性组合，或采用磁敏对管，则磁场正、反向时特性曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。

热电偶最优化分段最小二乘拟合线性化处理方法Ξ赵明富1,2　廖强2　钟连超1　罗渝微1(1重庆工学院电子信息工程与自动化学院,重庆400050;2重庆大学动力学院工程热物理研究所,重庆400044)摘　要　针对虚拟测温仪器中的热电偶线性化问题,提出了一种适合多种热电偶和热电阻的在线拟合方法,该方法是一种基于最小二乘法低阶分段曲线拟合来实现热电偶的软件线性化处理方法,通过软件编程实现了在不等测温区间内分段运用最小二乘法获得不同的拟合函数,并给出一种热电偶的拟合结果。

运用该方法可提高测温的灵活性和准确性。

关键词　热电偶　线性化　最小二乘法　拟合 热电偶由于具有结构简单、热容最小、材料的互换性好、信号能够远距离传送和多点测量,便于检测和控制等优点,因此把热电偶与计算机配合,用热电偶作为感温元件的微机化测温仪在工业生产和科学研究中得到了广泛的应用。

但由于它的热电势—温度函数关系的非线性,在应用中必须进行冷端补偿和线性补偿处理。

通常这种线性处理的方法有两大类:硬件化线性处理,如采用硬件线性化电路板来补偿;软件线性处理,即通过具体的算法,编制程序来修正。

过去常用硬件电路板来线性化处理,但存在成本较高、误差较大,电路搭配僵化,不灵活等缺点。

然而,随着计算机的广泛应用,特别是虚拟测温仪器出现的今天,软件线性化以其方法多样,拟合精度高,速度快,偏差小而被广泛应用[1～5]。

本文针对虚拟测温仪器中的热电偶线性化问题,提出了一种适合多种热电偶和热电阻的在线拟合方法,该方法是一种基于最小二乘法低阶分段曲线拟合来实现热电偶的软件线性化处理方法。

其目的为了提高虚拟测量仪器的通用性、适应性、实时性和测量精度。

一、线性化方法中的拟合原理通常在IEC584-1标准中给出的温度t和热电偶的热电势E之间的解析表达式为:E=f(t)(1)其中f(t)为高阶多项式函数或高阶多项式函数与指数函数的复合函数。

如镍铬———镍硅热电偶在温度为0～1372℃时解析表达式为:E=∑8i=0a i t i+125exp[-12(t-12765)2](2)如果已知某一时刻的温度值,就可通过计算得出热电偶在该时刻的热电势,反之亦然。

内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题目：热电偶的线性化-LCD显示学生姓名：……………………学号：**********专业：测控技术与仪器班级：…………指导教师：…………教授温度测量应用中有多种类型的传感器，热电偶是最常用的一种。

与电热调节器、RTD、温度检测集成电路(IC)相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。

另外，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。

本设计以STC89C52RC单片机为核心，由热电偶测量热端温度T，经过放大电路和ADC0832进行模数转换，再由单片机进行线性化处理，最后由1602字符型LCD显示测量温度。

该设计的软件由C51语言编写，采用模块化结构设计。

关键词：热电偶；A/D转换器；单片机；线性化；LCD显示摘要 (I)目录 (II)第一章前言 (1)1.1 热电偶测温原理 (1)1.1.1 热电偶测温原理 (1)1.1.2 热电偶冷端温度补偿 (1)1.2 线性化方法简介 (2)第二章热电偶线性化的总体方案设计 (5)2.1 硬件设计方案 (5)2.2 软件设计方案 (5)第三章智能仪表硬件设计 (7)3.1 热电偶温度传感器 (7)3.2 单片机STC89C52及其外围接口电路 (8)3.2.1 单片机STC89C52简介 (8)3.2.2 STC89C52的外围接口电路 (10)3.3 仪表放大和ADC0832模数转换电路 (11)3.3.1 仪表放大电路 (11)3.3.2 模数转换芯片 (12)3.4 LCD1602显示模块 (13)第四章软件设计 (16)4.1 智能仪表主程序 (16)4.2 ADC0832数据采集程序 (16)4.3 线性化标度变换程序 (16)4.4 LCD显示程序 (17)第五章总结 (18)参考文献 (19)附录A (20)第一章前言1.1热电偶测温原理1.1.1热电偶测温原理热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。

一种基于拟合算法的热电偶线性化处理简易实现方法文章通过一个工控产品的开发实例，提出了一种使用高性能微控制器和适宜的计算机辅助设计软件，简便容易地解决热电偶测温系统开发中输出电势和对应温差值非线性问题的方法。

作者的设计思路较为新颖，具有一定的创新性。

同时，文章关于拟合函数表达式阶数选择的实践结论，对同类工业自动化产品的开发也有一定的参考价值。

标签：线性化处理；智能仪表；拟合算法；函数表达模型；MATLAB引言热电偶基于热电效应原理进行温度测量，在工业温度测控领域被广泛使用。

与热电阻相比，热电偶具有测温范围广、机械强度高、装配简单等优点；但同时也存在电势率低、输出电势与被测温差值线性度较差的缺点。

20世纪90年代之前的温度测控仪表大多采用模拟电路设计，需要专门的硬件电路来处理热电偶输出电势与温差值非线性的问题。

在需要较高的测温精度时，该部分硬件电路将非常复杂，导致当时的热电偶测温系统要么精度低，要么价格非常昂贵。

在20世纪90年代之后，特别是进入21世纪，微控制器在工业测控仪表中得到了广泛应用，一般将使用微控制器技术设计的仪表称为智能仪表。

微控制器强大的整数和浮点运算能力使得廉价高精度热电偶测温系统的实现成为可能。

1 智能热电偶测温系统线性化处理的常用方法在对热电偶输出电势进行线性化处理时，智能仪表通常采用“查表法”或“拟合算法”。

“查表法”就是在智能仪表程序存储区固化一个一维数组，数组的下标代表热电势值的递增序列，而数组中的值则代表相应下标位置的热电势值时热电偶所对应的冷热端之间温差值。

因此，只要测得热电偶在某一时刻产生的热电势值，微控制器通过执行预设查表子程序即可从上述数组中获得当前的冷热端温差值。

显然，使用查表法的测温精度主要取决于数组的细分程度，即“表”的精细度。

而要获得越高的数组细分程度，需要占用的数据存储空间也越大，即“以空间换精度”。

目前，这种方法在精度要求不高的测温系统中应用广泛，而在高精度的测温系统中则因占用存储空间太大导致经济性差而较少采用。