热电偶信号建模和转换

热电偶是今天流行的模拟传感器,以及其他设备,如位置传感器、应变式压力传感器和电阻温度设备(高压)。操作的原则下塞贝克效应(又名热电效应),热电偶有经验确定非线性行为是众所周知的在每个连接类型的有用的操作范围。如果你运行模型,您将能够看到每个组件的累积效应在动态测量精度。这个例子将专注于为每一个组件模型在动态温度测量系统类型年代(铂-铑10%(+)和铂(-)):一个热电偶装置和探头,信号调节方法,模拟到数字转换器(ADC),一个软件规范将ADC的输出转换成温度的值。额外的小节展示如何获得和使用标准NIST - 90热电偶数据与仿真软件®模型。万博1manbetx查找表和一个多项式块用于这个设计捕捉热电偶的非线性行为。注意,多项式的块是一个可行的选择来查找表对于某些应用程序,减少罗使用一些额外的成本计算的完整的多项式表示。

打开模型

open_system (“sldemo_tc”)

图1:温度测量系统:从物理现象到软件的组件值

模拟热电偶信号

热电偶的两个主要特征模型是探针和珠动力学和热电偶的温度转化为一个毫伏信号。探测器+珠动力学建模为30毫秒一阶系统,和非线性热电偶行为建模使用段1多项式数据从NIST标准数据库60年代一种热电偶从-50到1063摄氏度。对于数值稳定性,多项式的系数是按比例缩小的返回微伏。1型S热电偶的输出模型子系统然后用单位转换块转换为伏特。注意单位指定子系统的输入和输出端口和图标上显示子系统。更多地了解单位动态仿真模块万博1manbetx万博1manbetx仿真软件的单位。

另一个实现使用多项式插值查找表。表数据可以用于查找表块代替多项式的块。样本数据是由NIST 60 S型热电偶的标准数据库文件sldemo_create_tc_tabledata.m访问这个数据库是下面一节中所描述的“热电偶参考数据下载并导入过程”。

抗混叠滤波器和模拟到数字转换器(ADC)模型

的ADC模型预计0到5伏信号,所以原始热电偶电压偏置和放大对应于一系列-0.235 mV 18.661 mV(-50摄氏度至1765摄氏度)。反锯齿三阶巴特沃斯滤波器设计Wn = 15赫兹使用信号处理工具箱™:

(num,窝)=黄油(15 * 2 * 3,π,“低”,“s”)

抗混叠滤波器的输出反馈取样保持的设备驱动的量化模型。自样品周期是20毫秒在这个例子中,转换时间被忽略,因为它通常是2数量级较小的现有设备。(注意:如果样品的转换时间是一个明显的分数期间,它不能被忽略,因为它将大大影响系统的动力学。)

量化算法模型中需要在0到5伏信号和输出一个12位的数字词在一个16位带符号整数。对应的值为0 0伏特和4096对应5伏特的价值。改变最低有效位(LSB)约1.2 mV。12位只能达到4095的价值,最高电压,可以读到这个设备大约是4.9988伏特。为了不超过1/2 LSB错误在操作范围内,改变量化器的值介于每个电压点,导致1/2-width间隔0伏特和3/2-width区间下方5伏特。过去的时间间隔1 LSB由于3/2-width大小。

理解数据转换器

的sldemo_adc_quantize模型允许您更详细地探讨A / D转换器组件:

open_system (“sldemo_adc_quantize”)

图2:ADC量化建模的详细信息(零转换时间)

sim卡(“sldemo_adc_quantize”)设置(gcf“颜色”,1,1,1);

图3:ADC的量化特征。

ax =得到(gcf“孩子”);集(ax (1),“xlim”(4085、4100));

图4:ADC的量子化特征:放大的范围,揭示1 LSB错误行为高端(其他范围只有1/2 LSB马克斯错误)。

软件规范将ADC输出转换为温度的值

输入转换子系统需要一个16位的无符号整数输入ADC的满刻度范围是0到4095项,对应-0.235 mV和18.6564 mV热电偶回路的电压。最快最好的精度和算法的输入转换直接查表。自输入一个整数,从0到4095,一个表可以构造出热电偶温度对应于每一个可能的输入值,所以转换过程可以减少索引表。然而,这需要一个数字/ ADC输出值和12位ADC,这可能是一个负担在内存受限的环境中。对于双精度数据,这是一个16 kB罗要求。看到文件sldemo_create_tc_tabledata.m直接查表的方法用于构造类型的热电偶参考数据。这种方法相关的错误是完全孤立的施工过程有一个输出值与每一个可能的输入值,运行时查找过程介绍没有额外的错误。

一个插值表也放入模型中,只使用664字节。相比这是一个巨大的减少罗需要直接查表,但它需要一段时间来计算一个间接的内存访问,介绍了误差测量,这下降点表中数量的增加。

open_system (sprintf (“sldemo_tc / 3软件规范\ nfor转换\ nADC温度的值))

热电偶参考数据下载并导入过程

使用NIST - 90热电偶数据库(标准参考数据库60 NIST专著175),您可以访问的标准参考数据描述行为的八个标准热电偶类型。这个数据库与热电偶输出1990年国际温标。按照以下步骤获取和读取的数据需要充分行使支持文件包含在这个例子:万博1manbetx

1。参观NIST 60标准数据库网站在互联网上,下载该文件。本地目录选项卡。这个文件是下一个所有热电偶类型超链接。下载完成后,返回到这个页面。

2。你下载了所有cd的目录。选项卡热电偶数据库

3所示。解析数据库,并将它转换成一个数组使用转换工具MATLAB结构readstdtcdata.m:

tcdata = readstdtcdata (“all.tab”);拯救thermocouple_its90。垫tcdata;

(提示:突出上面的MATLAB代码,使用鼠标右键菜单项“评估选择”执行)

你现在有了一套完整的温度(T)摄氏度)和电压(E, mV)数据,逼近多项式系数,和逆多项式系数的标准热电偶类型B, E, J, K, N, R, S和T thermocouple_its90.mat tcdata变量的文件。MATLAB脚本sldemo_create_tc_tabledata.m使用这个数据准备查找表块示例中使用的参数模型。

空调中使用的参考数据查表

如果你回顾tcdata热电偶数据表的结构或。选项卡上,你可能会注意到几件事:

readstdtcdata()例程将删除重复0摄氏度温度点的数据,但重复电压的数据格式和non-monotonic行为的一些曲线两端必须处理在一个个人的基础上。一个参考模型命名sldemo_tc_blocks使用sldemo_tc_blocks_data.mat构造。用数据填充它包含查表插值多项式的八个标准热电偶all.tab:

open_system (“sldemo_tc_blocks”)

图5:全程2摄氏度创建插入热电偶表- 90插值多项式

引用

1。NIST - 90热电偶数据库URL:http://srdata.nist.gov/its90/main

2。“Temperature-Electromotive力量参考函数和表Letter-Designated热电偶类型根据其- 90”。国家标准和技术研究所的专著175;1993年。630便士。

3所示。1990年国际温标(- 90),咨询委员会的温度测量(有条件现金转移支付)的国际度量衡委员会(CIPM)

4所示。热电效应的金属:热电偶,s . o . Kasap 1997

注意:确定实证关系的复杂系统,如引擎和模型拟合测量数据,MathWorks®提供了基于模型的标定工具箱有实验的设计方法优化创建数据库表,加值提取和自动表格填充组件。