基于K型熱電偶的多通道溫度測試儀

摘要:針對橡膠、塑料、藥品等產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中存在由溫度引起的安全隱患問題,提出了基于K型熱電偶的多通道溫度測試法。測試系統(tǒng)以K型熱電偶為溫度傳感器,嵌入式硬件CPLD為核心的測試儀與計算機(jī)軟件相結(jié)合,通過監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程中熔體、流體及顆粒體的溫度，保證安全生產(chǎn),并選擇溫度,使產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到產(chǎn)量最大。校準(zhǔn)與標(biāo)定實驗表明:該測試儀具有體積小,精度高,測試時間長等優(yōu)點。
　　現(xiàn)代工業(yè)隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的興起再度高速發(fā)展,而基于嵌入式硬件和計算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)已成為工業(yè)控制的主流。溫度作為一個基本的物理量，自然界中的一一切過程無不與溫度變化密切相關(guān),在工業(yè)生產(chǎn)中往往需要對溫度進(jìn)行監(jiān)測與控制，熱電偶溫度傳感器是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。
1熱電偶傳感器;
　　工業(yè)生產(chǎn)加工中常見的溫度變化為中低溫慢變過程,特點是需要監(jiān)控多點、多時段。熱電偶傳感器具有如下特點:
1)無需外接電源供電，可直接與被測對象接觸,不受中間介質(zhì)影響,傳輸距離遠(yuǎn);
2)測量精度高(±0.5℃),測量范圍廣(-200℃~1300℃);
3)構(gòu)造簡單,使用方便,價格便宜。
　　工業(yè)生產(chǎn)中的流體、熔體及粉末等加工溫度為60℃~130℃不等,通過設(shè)定設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)控制工作溫度，使生產(chǎn)過程安全無隱患，質(zhì)量,產(chǎn)量最大化。
　　熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng),熱電動勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢所組成,熱電動勢的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及接點溫度有關(guān)1.4]。
　　依照體積小可靠性高的原則，該系統(tǒng)選用集成溫度傳感器補(bǔ)償法。AD8497熱電偶放大器為熱電偶溫度測量提供了一種簡單的低成本解決方案。AD8497為集成熱電偶冷結(jié)補(bǔ)償器的儀表放大器。冰點基準(zhǔn)與預(yù)校準(zhǔn)放大器的結(jié)合特點,使其能直接從熱電偶信號產(chǎn)生高電平(5mV/C)輸出。寬的電源電壓范圍，能夠用單端電壓供電，可以覆蓋近1000℃的熱電偶溫度范圍。利用AD8497組成了冷端補(bǔ)償電路,補(bǔ)償電路可實現(xiàn)環(huán)境溫度的自動補(bǔ)償。
　　為保證系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)更正確,系統(tǒng)在使用前需要對使用的熱電偶及測試電路進(jìn)行全測試范圍校準(zhǔn)、標(biāo)定。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　
　　測試系統(tǒng)由多路熱電偶傳感器、模擬信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源管理模塊與計算機(jī)連接的接口電路、電池、機(jī)械殼體組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖1。
 
　　熱電偶傳感器:選用WRNF-301型鎳鉻鎳硅熱電偶,測量范圍-50℃~200℃,精度±0.4℃。
　　電池及電源管理:電源模塊可以完成電池對各模塊的上下電及外接充電操作。
　　模擬信號調(diào)理:該模塊主要完成熱電偶的冷結(jié)補(bǔ)償和放大,將模擬信號穩(wěn)定至0-2.5V。
　　系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)存儲:核心控制為Xilinx-XCR3128的CPLD,控制模擬信號數(shù)字化和FLASH存儲數(shù)據(jù)或者顯示。
　　機(jī)械殼體:包括了操作面板和外部金屬保護(hù)殼體,面板接口可執(zhí)行測試和通信操作。
　　試驗儀由金屬外殼保護(hù),熱電偶傳感器可以實現(xiàn)多測點接觸式溫度測量，系統(tǒng)供電為內(nèi)部聚合物鋰電池電源,測試數(shù)據(jù)存儲于系統(tǒng)內(nèi)存,該試驗儀可應(yīng)用于各種復(fù)雜生產(chǎn)過程的溫度監(jiān)測。系統(tǒng)正常工作電流為24mA,內(nèi)部供電為兩塊240mAh的供電，可穩(wěn)定測試10h。采樣頻率為400Hz,內(nèi)存空間為125GB的FLASH芯片,存儲時間滿足。測試儀整體實物如圖2所示。
 
3校準(zhǔn)與標(biāo)定實驗
　　對整套硬件系統(tǒng)完成調(diào)試后,室溫下四路傳感器測得室溫與標(biāo)準(zhǔn)溫度相差均不超過0.5℃,但在沸水下測試溫度偏差較大,為此,對整套測試儀進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)。選用高溫干燥箱作為熱源,0~200℃的精度高溫度計提供標(biāo)準(zhǔn)溫度,將熱電偶傳感器敏感接頭與溫度計測試端固定于干燥箱體內(nèi)同一點,緊閉箱門，如圖3所示。
 
　　對測試系統(tǒng)上電觸發(fā),調(diào)節(jié)干燥箱溫度,測得實驗數(shù)據(jù)如表1。
 
　　測試系統(tǒng)輸出數(shù)字量與被測溫度有如下關(guān)系:
B=(Tx5x10^-3+0.833)x1.567x4096/2.5.(1)
　　分析數(shù)據(jù)，對測試儀四路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,如圖4所示。
　　由校準(zhǔn)結(jié)果可知,測試系統(tǒng)輸出與被測溫度成穩(wěn)定的線性關(guān)系(R²>0.995),測試系統(tǒng)在60℃以下數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)溫度的偏差不超過0.5℃,在60℃~150℃的溫度段內(nèi),偏差值偶爾會超過1℃。將系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)寫人上位機(jī)讀數(shù)軟件,完成系統(tǒng)的標(biāo)定、非線性的修正。因此，該測試儀可以完成多測點生產(chǎn)過程的溫度監(jiān)測操作。
 
4總結(jié)
　　基于K型熱電偶的多通道溫度測試儀的設(shè)計,該系統(tǒng)在對熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償后,將被測溫度數(shù)據(jù)存儲至系統(tǒng)FLASH內(nèi)。該系統(tǒng)具有體積小、精度高、測點多、測試時間長的優(yōu)點,可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的橡膠、塑料等流體及熔體加工溫度監(jiān)測,對于安全生產(chǎn)控制產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義。