基于K型熱電偶的精度高測(cè)溫裝置

摘要:針對(duì)在熱試驗(yàn)過(guò)程中K型熱電偶測(cè)溫存在非線性誤差的問(wèn)題,基于熱電偶測(cè)溫原理指定了一種精度高測(cè)溫裝置。裝置以STM32單片機(jī)作為主控芯片,采用精度高測(cè)溫專用AD芯片ADS1148,通過(guò)冷端補(bǔ)償、分段擬合等措施來(lái)提高測(cè)溫精度。試驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置在-509C~500°C范圍內(nèi),測(cè)溫精度能達(dá)到+0.19C,具有體積小、精度高、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和軍事領(lǐng)域的精度高測(cè)溫場(chǎng)合。
       熱電偶是在科研和生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)應(yīng)用普遍、廣泛的測(cè)溫元件,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)巴。但熱電偶輸出電勢(shì)極其微弱,而且冷端溫度誤差和輸出電勢(shì)與被測(cè)溫度的非線性容易引起較大測(cè)量誤差基于此，本文以ARM微處理器作為裝置的控制核心,ADS1148作為測(cè)溫專用數(shù)據(jù)采集器，指定了一種基于K型熱電偶的精度高測(cè)溫裝置。該裝置具有可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)。
1裝置工作原理
       如圖1所示，主控MCU收到指令后完成對(duì)4路溫度傳感器信號(hào)的采集控制,讀取冷端補(bǔ)償溫度和ADC芯片的轉(zhuǎn)換結(jié)果后，把溫度數(shù)據(jù)過(guò)編碼、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)到寄存器中,并通過(guò)串口將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)中,在計(jì)算機(jī)中通過(guò)上位機(jī)讀取各通道的溫度值并顯示。

       該裝置的主控MCU采用的是意法半導(dǎo)體公司指定的STM32F103RET6,它是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微處理器田。TI公司的ADS1148是高度集成的16位完整ADC芯片,ADS1148模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片屬于測(cè)溫專用數(shù)據(jù)采集器凹。主控MCU負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行控制,與信號(hào)采集芯片ADS1148之間采用SPI總線進(jìn)行通信,一片ADC可以外接4路差分形式輸入的模擬信號(hào)5。
1.1熱電偶測(cè)溫原理
       2種不同材質(zhì)的導(dǎo)體A、B組成的閉合回路就構(gòu)成了熱電偶，同一導(dǎo)體當(dāng)其兩端存在溫度差時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì),該電動(dòng)勢(shì)被稱為熱電勢(shì)回。熱電偶兩端為2個(gè)熱電極,溫度較高的一端為工作端,溫度較低的一端為冷端(自由端),冷端通常處于某個(gè)恒定的溫度。根據(jù)中間溫度定律得出:.

       式中:E_AB(t,0)為補(bǔ)償后的熱電偶電動(dòng)勢(shì);E_AB(t,to).為通過(guò)測(cè)量得出的熱電勢(shì);Exn(t,0)為冷端溫度to相對(duì)0°C時(shí)的熱電勢(shì)
1.2冷端補(bǔ)償電路
       冷端溫度補(bǔ)償選用MAX6627芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，它和外部雙極型晶體管組成溫度采集器D。由晶體管感應(yīng)外部溫度變化，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),將電流差分信號(hào)作為輸入信號(hào),經(jīng)過(guò)ADC將溫度轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號(hào)，精度為0.0625℃,由.SPI口串行輸出,可測(cè)溫度范圍為-509C~+1509℃應(yīng)用原理圖如圖2所示。

2提高測(cè)溫精度的方法
(1)K型熱電偶與ADS1148的電路連接如圖3所示,差分輸入方式可以很好地消除導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)溫精度的影響，在每路輸入端前置濾波器,以衰減熱電偶.上的噪聲,提高測(cè)溫精度。
(2)ADS1148是高度集成的16位完整ADC芯片,充分利用芯片內(nèi)部資源提高熱電偶測(cè)溫精度。ADS1148集成的低噪聲可編程增益放大器放大倍數(shù)可達(dá)128倍,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱模擬信號(hào)的精確測(cè)量;其內(nèi)部的數(shù)字濾波器能夠減弱干擾信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的影響,提高測(cè)溫精度;使用片上參考電壓源,簡(jiǎn)化了電路指定。

(3)MAX6627是一種可兼容SPI串行接口的精度高數(shù)字溫度傳感器,可直接輸出冷端溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償，達(dá)到精確測(cè)溫的目的。與傳統(tǒng)的通過(guò)外接補(bǔ)償導(dǎo)線連入測(cè)控電路的方法相比，該方法簡(jiǎn)化了電路制定,不需要外部調(diào)理電路,具有精度高、穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。
(4)由于K型熱電偶的熱電勢(shì)隨溫度的變化是非線性的，加上引線電阻的非線性等因素的影響,導(dǎo)致熱電偶的輸出值與實(shí)際溫度值存在偏差。所以,為提高測(cè)溫精度,采用Matlab軟件進(jìn)行分段線性化處理,實(shí)現(xiàn)熱電偶的非線性誤差校正。
       在測(cè)溫范圍-50℃~500℃劃分為-50℃--20℃、-20℃~10℃、10℃~300℃300℃~500℃進(jìn)行分段線性擬合,得到溫度與熱電勢(shì)關(guān)系模型:
T=0.02651V+1.27473+T,[-50℃~-20℃)(2)
T=0.02509V+0.01054+7T,[-20℃~10℃)(3)
T=0.02394V+0.47620+T1,I10℃~300℃)
(4)
T=0.02307V+12.4219+7,[300℃~500℃](5)
式中:Tt為冷端溫度;V為對(duì)應(yīng)的電壓值。
3測(cè)試結(jié)果與分析
       把熱電偶溫度傳感器放置在恒溫槽中，設(shè)定溫度為-50℃并進(jìn)行初次測(cè)試，恒溫槽溫度以每隔50℃變化,待其溫度穩(wěn)定后,即開始測(cè)試。測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差如表1所示。結(jié)果表明,該測(cè)溫裝置的溫度測(cè)量絕對(duì)誤差小于+0.1℃,達(dá)到了較高的測(cè)量精度。在需要精度高測(cè)溫的場(chǎng)合有很好的實(shí)用價(jià)值。

       在-50℃~500℃溫度范圍內(nèi)利用選取的3個(gè)固定溫度的實(shí)測(cè)值和根據(jù)擬合算法測(cè)試的溫度值描繪出的點(diǎn)，通過(guò)這些點(diǎn)擬合出如圖4所示的2條直線,。根據(jù)不同的要求,對(duì)測(cè)溫范圍所分的段越小，擬合直線就越接近實(shí)際溫度直線,補(bǔ)償后測(cè)溫的精度就越高。通過(guò)軟件補(bǔ)償這種方法可以避免硬件調(diào)節(jié)的復(fù)雜性和保證測(cè)溫裝置的穩(wěn)定性,簡(jiǎn)單可靠容易實(shí)現(xiàn)。

       該裝置的.上位機(jī)使用MatlabGUI界面。如圖5所示,可以通過(guò)選擇通道顯示某一路傳感器在一定時(shí)間內(nèi)的溫度變化曲線,并實(shí)時(shí)顯示冷端溫度值、當(dāng)前通道的溫度值與平均溫度。當(dāng)把第1路傳感器放置在溫度為50℃的恒溫槽中,從中可以看出，在冷端溫度為26℃時(shí)，測(cè)得當(dāng)前通道溫度為50.03℃,平均溫度為50.05℃,誤差均保持在0.1℃以內(nèi)。

4結(jié)語(yǔ)
        一種基于K型熱電偶的精度高測(cè)溫裝置,和傳統(tǒng)的測(cè)溫方法相比，裝置具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)能夠滿足在熱試驗(yàn)過(guò)程中溫度測(cè)試的需求，在高壓、高沖擊等惡劣環(huán)境中也有很好的應(yīng)用前景。