基于熱電偶環(huán)境溫場測量的關鍵問題改進

摘要:分析了熱電偶溫度測量不確定度,、溫場穩(wěn)定度測量不確定度和溫場均勻度測量不確定度,，為環(huán)境的溫場參數(shù)測量和控制提供理論保障.分析表明，熱電偶測溫不確定度與熱電偶熱電動勢,、參考端溫度傳感器的測量不確定度密切相關:溫場均勻度測量不確定度與熱電偶熱電動勢的測量不確定度密切相關:溫場穩(wěn)定度測量不確定度與熱電偶熱電動勢和溫差擬合函數(shù)的關系密切,，在一次線性擬合的條件下取決于擬合函數(shù)的斜率.針對測量過程中存在的脈沖噪聲和熱電偶非線性的干擾，結合環(huán)境溫度信號變化緩慢的特點,提出綜合運用均值濾波和中值濾波處理熱電偶熱電動勢測量數(shù)據(jù)去除測量中脈動噪聲和熱電偶非線性對測量結果的影響.
0引言
       高精確度溫度計量是計量和制造納米幾何尺寸的重要前提.大范圍納米坐標測量機提出了保障常溫下密閉空間內(nèi)溫度具有高穩(wěn)定度和高均勻度的要求.迄今為止的文獻中僅通過某種算法計算測量環(huán)境的溫度均勻性和穩(wěn)定性,，而未分析其測量不確定度,因此無法保證所構建的測量環(huán)境符合其設計精確度要求.
       響應速度快、不存在自熱等優(yōu)點的熱電偶,較熱電阻等其他溫度傳感器更適用于密閉空間內(nèi)溫度的測量,但常規(guī)應用的熱電偶個體間差異較大,、穩(wěn)定性差而無法滿足空間內(nèi)溫場均勻性測量要求.這種差異可通過在實驗室中分別標定每支熱電偶而得到克服,，因此實驗室條件下應用熱電偶能夠給出較常規(guī)應用更高的測量精確度.我們在溫度范圍在18~22℃的條件下使用銅-康銅熱電偶測量納米坐標測量機的工作環(huán)境溫度,分析了基于熱電偶測溫的溫度測量不確定度和測量環(huán)境溫場穩(wěn)定度、均勻度的測量不確定度,為環(huán)境的溫場參數(shù)測量提供了理論保障.同時,，針對測量過程中存在的脈沖噪聲和熱電偶非線性的干擾,，結合納米坐標測量機的工作環(huán)境溫度信號變化緩慢的特點，提出綜合運用均值濾波和中值濾波處理熱電偶熱電動勢測量數(shù)據(jù),，以使更好地測量測量環(huán)境的溫場分布.
1熱電偶測溫原理及模型
       根據(jù)Seebeck效應,，當組成熱電偶的材料一定時,熱電偶的熱電動勢只取決于熱電偶測溫回路的兩個接點溫度.即熱電偶檢測端溫度可表示為
T=T。+△T=To+φ（E_ABT,T,。)(1)
式中:A,、B為組成熱電偶兩極的兩種材料:T。為熱電偶參考端溫度(℃);E_AB為溫差△T=T-T,。時的熱電偶熱電動勢（nV).
       根據(jù)美國國家標準局NBS)提供的銅-康銅熱電偶電壓特征數(shù)據(jù)與溫度對應關系一熱電動勢與測量端和參考端溫差近似呈線性甲,考慮到實際測溫范圍為4℃左右,，認為熱電偶熱電動勢與測量端和參考端溫差為1次函數(shù)關系是合理的，即熱電偶測溫模型可表征為
T=T,。+△T=T,。+aE+b（2）
式中:△T=kE+b,為溫差和熱電動勢的1次最小二乘擬合關系式;a為斜率(℃/nV),b為截距(C).
2實驗系統(tǒng)
       實驗系統(tǒng)包括機械系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和軟件平臺等三部分,，如圖1所示.熱電偶的測量端和參考端分別置于兩個相同結構的保溫箱體立方體結構,6面均采用200mm苯板隔熱)內(nèi)的杜瓦瓶中,并在測量中采用兩支--等標準鉑電阻測量熱電偶補償端和測量端的溫度,使用兩個純銅塊分別包裹熱電偶參考端和參考端的一級標準鉑電阻以及熱電偶測量端和測量端的一級標準鉑電阻,使兩支一等標準鉑電阻盡可能分別與熱電偶參考端和測量端溫度相同,，然后分別放置于參考端和測量端中盛油的杜瓦瓶中,將該盛油杜瓦瓶置于箱體中央.

       采用HART1590型測溫儀分別測量參考端和測量端的一等鉑電阻,獲得熱電偶參考端和測量端的溫度.測溫儀的測量不確定度在1C內(nèi)達1ppm.
       熱電偶溫差熱電動勢的采集由KETHLEY7001.可編程程控開關、KETHLEY2182納伏計組成,并由計算機控制.程控開關的作用是根據(jù)計算機指令使待標定的熱電偶與納伏計連接,，由納伏計測量該熱電偶的熱電動勢.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示.測量溫差為0~3℃區(qū)間內(nèi)的熱電偶熱電動勢的變化.根據(jù)式2)確定熱電動勢和溫差的關系.
       熱電偶熱電動勢,、測量端溫度和參考端溫度的具體測量過程如下:
1)n=NN:待標定的熱電偶總數(shù));
2)i=1;
3)選通程控開關的第i通道，讀取納伏計的熱電動勢測量值Ei);
4)測溫儀讀取熱電偶測量端溫度R,6);
5)測溫儀讀取熱電偶補償端溫度R,。6);
6)i=i+1;
7)i>n?否,重復步驟3)~6);是,重復1)~7).

3溫度測量不確定度
       熱電偶參考端溫度測量值在18~20℃之間,，標定熱電偶測量端和補償端溫差范圍~4C.并進行了大范圍重復標定,標定點的數(shù)量足以滿足實驗要求.
       根據(jù)式2)獲得熱電偶測量端溫度測量不確定度回為

       文[D7]給出了熱電偶測溫不確定度的詳細計算方法.△T為4℃時,E不大于1.7×10⁵nV,取E=1.7×10⁵nV.對其中一只熱電偶測量數(shù)據(jù)擬合后.有:a=-2.5×10^-5.、σ,。=5.2×10^-9,、b=4.4x10^-5、σ,。=0.2×10^-3(℃),根據(jù)標定系統(tǒng)具體使用的測量儀器和實驗結果,熱電偶測量端溫度測量不確定度構成如表1所示.

       由式4)和表1得冷熱端溫差為4℃時,，熱電偶.測溫標準不確定度為2.2×10^-3℃.置信概率為0.99時,取k=3,則其擴展不確定度表示為
U99=3×UT)=6.6×10^-3℃
4溫場均勻度測量不確定度
       溫場均勻度通常定義為一段時間內(nèi),，待測量溫場內(nèi)溫度變化的最大值和最小值之差.對于實際被測系統(tǒng)而言,通常采用在溫場的特征點處采集特征點溫度的變化,并將所有被測特征點在-.定時間內(nèi)的溫度變化幅值定義為溫場的均勻度.因此,設一-定時間內(nèi)溫場中的兩點j、h出現(xiàn)最大值和最小值,，其溫度分別表示為Tj,、Tk,則溫場均勻度表示為

5溫場穩(wěn)定度測量不確定度
       溫場穩(wěn)定度通常定義為-段時間內(nèi)，溫場內(nèi)某個待測特征點溫度變化的最大值和最小值之差.實際測量過程中,通常采用一只溫度傳感器在一-段時間內(nèi)溫度測量值的最大最小值之差表示溫場穩(wěn)定度,，設在該段時間內(nèi)傳感器在t1,和t2時刻獲得最大Tmax,、最小值Tmin,則溫場穩(wěn)定度表示為


       從表1~3中可以看出,熱電偶熱電動勢測量的精度嚴重影響熱電偶測溫不確定度和溫場均勻度測量不確定度,而溫場穩(wěn)定度測量不確定度與熱電偶熱電動勢和溫差擬合函數(shù)的關系密切,在一次線性擬合的條件下取決于擬合函數(shù)的斜率,但高測量環(huán)境通常具有很好的溫度穩(wěn)定度,一般小于0.1℃,這意味著溫場穩(wěn)定度測量不確定度通常在萬分之兒攝氏度或更小:為改善溫場溫度測量不確定度以及溫場均勻度測量不確定度,采用熱電偶作高溫度測量時需提高熱電偶熱電動勢的測量精度.同時，也可以看出,，采用上述方法標定的熱電偶能夠滿足測量環(huán)境所要求的±0.01℃的溫度國測量要求.
6測溫過程的數(shù)據(jù)處理技術.
       文8]在低溫熱電偶標定過程中發(fā)現(xiàn)熱電偶測溫存在非線性現(xiàn)象,，并采用分形方法分析了由于這種非線性引入的熱電偶測溫誤差,其分析表明這種非線性存在一定的隨機性，且各傳感器間測量存在弱相關,，但沒有給出改善這種非線性的方法.在采用本文給出的系統(tǒng)標定熱電偶的過程中,，我們也發(fā)現(xiàn)了這種非線性現(xiàn)象,同時還發(fā)現(xiàn)熱電偶熱電動勢采集過程中存在脈沖噪聲，如圖3所示,，測量過程中在溫差為1~1.5℃和3~3.5℃之間兩次出現(xiàn)脈沖噪聲:選取溫差為3.1~3.2℃之間的測量數(shù)據(jù)曲線觀察測量存在非線性現(xiàn)象.
       為減弱測量中隨機噪聲和脈沖噪聲的干擾,考慮對測量過程采取濾波運算.一般信號測量過程中同時含有多種噪聲,因此應考慮如何濾波才能達到效果.假如綜合使用不同的濾波方法,，則先使用的濾波運算可能會對其他性質(zhì)的噪聲產(chǎn)生影響，導致其他濾波方法效果變差.目前還沒有一種方法對所有信號的處理效果均為佳,某一種單一濾波算法只能較好地對含有一種或幾種噪聲類型的信號進.行處理.抑制噪聲并能夠在處理中保留信號真實的變化趨勢是相互制約的.

       工程實際中一般通過簡單的算法或簡單算法的組合來達到信號處理的目的,如均值濾波和中值濾波就是工程實際中經(jīng)常使用的濾波算法.均值濾波方法能夠有效地濾除隨機噪聲中的高斯噪聲,但對與信號有關的噪聲和脈沖噪聲抑制效果較差.同時,，均值濾波存在鈍化信號變化趨勢的作用,，且濾波窗口越大,信號變化趨勢的鈍化越嚴重.均值濾波算法如下式:

       式中:y(t)為原始信號在1時刻的測量值:S為1時刻的時間鄰域;M為鄰域S的信號測量個數(shù):g(t)為均值濾波后最終信號.
       中值濾波能較有效地抑制測量信號脈沖噪聲的干擾,且不改變信號頻譜,對隨機噪聲的抑制能力不如均值濾波.中值濾波是一個有奇數(shù)點的滑動窗口，將窗口中心點的值用窗口內(nèi)各點的中值代替,可以用下式表示:

       式中:A為濾波窗口:Med為取中值運算:里6)}為A中所有測量信號的集合序列.
       由于待處理的信號中既包含有脈沖噪聲又包含有隨機噪聲,，因此綜合運用中值濾波和均值濾波算法,改進式00)的中值濾波方法,，使中值濾波輸出為一個序列,將該輸出序列作均值濾波處理得到該測:量時刻的信號測量值.具體算法如下:
1)讀取5個溫度測量值，獲得測量序列{f(t)}=f(ti-2)f(ti-1)f(ti)f(ti+1)f(i+2)}.
2)取式(10)中A=5,計算序列f(t)}的最大值和最小值,，去掉最大值和最小值得到式Q0)的輸出序列{y(t)}=y(t1)y(t2)y(t3)
3)取式(9)中M=3,計算信號g(t)的值..
       依次對所有測量值處理,最終輸出即為經(jīng)中值濾波器和均值濾波器的信號輸出值.
       經(jīng)上述方法處理后的信號如圖4所示可見,經(jīng)處理后的信號去除了脈沖噪聲的干擾,，同時，信號的非線性得到了一定程度的抑制.

7結論
1)分析了基于熱電偶測溫的溫度測量不確定度,、溫場穩(wěn)定度測量不確定度和溫場均勻度測量不確定度,，為環(huán)境溫場參數(shù)的測量和控制提供理論保障.分析表明，熱電偶測溫不確定度與熱電偶熱電動勢,、參考端溫度傳感器的測量不確定度密切相關:溫場均勻度測量不確定度與熱電偶熱電動勢的測量不確定度密切相關:溫場穩(wěn)定度測量不確定度與熱電偶熱電動勢和溫差擬合函數(shù)的關系密切,在一次線性擬合的條件下取決于擬合函數(shù)的斜率,。
2)采用熱電偶作窄溫區(qū)溫度測量,置信概率為0.99時,溫區(qū)為4℃時，其溫度測量不確定度可達.6.6×10^-3℃;均勻度為4℃時,其溫場均勻度測量不確定度可達7.5×10^-3℃:穩(wěn)定度為0.4℃時,其溫場穩(wěn)定度測量不確定度可達0.26×10^-3℃.分析表明,，采用比對法標定的熱電偶溫度測量指標能夠滿足測量環(huán)境要求的±0.01℃溫度測量要求.
3)針對測量過程中存在的脈沖噪聲和熱電偶非線性的干擾,，結合環(huán)境溫度信號變化緩慢的特點,提出綜合運用均值濾波和中值濾波處理熱電偶熱電動勢測量數(shù)據(jù),很好地去除了測量中脈動噪聲的干擾,同時也減小了熱電偶非線性對測量結果的影響.