多通道智能熱電偶測(cè)溫模塊的研制

摘要:火電廠的溫度測(cè)量具有溫度高且點(diǎn)數(shù)多的特點(diǎn),目前普遍采用熱電偶傳感器來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。文中介紹了一種應(yīng)用于火電廠溫度測(cè)量的多通道智能熱電偶測(cè)溫模塊的具體研制方案。該測(cè)溫模塊具有3大優(yōu)點(diǎn):首先可同時(shí)測(cè)量16個(gè)通道的溫度點(diǎn)每個(gè)通道的溫度點(diǎn)可配置8種不同類型的熱電偶傳感器;其次采用了帶數(shù)字濾波功能的精度高模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)可以有效濾除I頻干擾;最后通過(guò)外部標(biāo)準(zhǔn)電壓源進(jìn)行精度校準(zhǔn)、冷端補(bǔ)償與插值計(jì)算提高了測(cè)溫精度。
0引言
　　實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中利用塞貝克效應(yīng)制作的熱電偶傳感器工作原理如圖1所示"。A、B為兩種不同導(dǎo)體通過(guò)一定的方法使這兩種導(dǎo)體絞合在一起即形成熱電偶傳感器。當(dāng)把熱電偶傳感器置于一定的溫度環(huán)境中2個(gè)導(dǎo)體的結(jié)合處會(huì)形成電壓差V再通過(guò)引線引出得到電壓差V2(引線不會(huì)改變電壓差,即Vz=V})通過(guò)測(cè)量該電壓差值查找相應(yīng)類型的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表就可知道測(cè)量點(diǎn)的溫度值。目前熱電偶傳感器根據(jù)所使用金屬材料的不同可分為S型(鉑銠10-鉑)、B型(鉑銠30-鉑銠6)、K型(鎳鉻-鎳硅)、T型(銅-康銅)、E型(鎳鉻-康銅)J型(鐵-康銅)、R型(鉑銠13-鉑)、N型(鎳鉻硅-鎳硅鎂)等8種主要類型。每種類型熱電偶傳感器2種金屬之間的電壓差和它們結(jié)合處的溫度有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系形成各種不同類型熱電偶傳感器標(biāo)準(zhǔn)分度表。
 
硬件設(shè)計(jì)
　　測(cè)溫模塊可以滿足16個(gè)通道的溫度測(cè)量，且各通道所配置的熱電偶傳感器類型可以是S型、B型、K型、T型、E型、J型、R型及N型共8種常用類型中的任意一種,支持冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能‘[3-4]測(cè)溫模塊的硬件原理如圖2所示,由通道切換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、通訊電路及CPU電路等部分組成。通道切換電路的CH1~CH16為16個(gè)熱電偶測(cè)溫通道,CH17~CH20為冷端補(bǔ)償通道冷端補(bǔ)償采用四線制熱電阻測(cè)溫傳感器實(shí)現(xiàn)熱電偶傳感器冷端所處環(huán)境溫度的測(cè)量。
 
1.1通道切換電路
　　測(cè)量通道切換電路采用光電耦合器器件's]實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)和內(nèi)部電路的隔離提高模塊的抗干擾性能。為消除通道切換帶來(lái)的誤差在模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始對(duì)某個(gè)通道熱電偶電壓進(jìn)行采樣之前應(yīng)使通道開關(guān)保持一-定的時(shí)間，以確保模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到穩(wěn)定的熱電偶電壓值。
1.2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
　　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是把采集到某個(gè)通道的熱電偶電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用高位數(shù)、精度高模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(6]該芯片對(duì)50Hz的工頻干擾具有較好的濾波功能,在很大程度上簡(jiǎn)化了前置濾波電路及軟件濾波程序的設(shè)計(jì)工作。
1.3通訊電路
　　通訊電路部分負(fù)責(zé)接收.上位機(jī)設(shè)置的各通道熱電偶傳感器類型及冷端補(bǔ)償使用的熱電阻類型配置信息同時(shí)把測(cè)量到的各通道溫度值發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示、分析和處理。通訊協(xié)議采用CAN總線協(xié)議可以把多個(gè)測(cè)溫模塊進(jìn)行組網(wǎng)形成可以測(cè)量更多通道的智能測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)。
1.4CPU電路
　　CPU是整個(gè)測(cè)溫模塊的控制中樞負(fù)責(zé)通道切換控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制、測(cè)量溫度值計(jì)算、精度校準(zhǔn)及通訊管理等功能并具備測(cè)量通道的斷線狀態(tài)檢測(cè)和測(cè)值超限報(bào)警等功能。
2軟件設(shè)計(jì)
　　測(cè)溫模塊的軟件主要是完成各通道熱電偶傳感器電壓值的測(cè)量并根據(jù)各通道熱電偶傳感器類型和冷端補(bǔ)償熱電阻類型查詢相應(yīng)熱電偶分度表和熱電阻分度表插值計(jì)算出各通道測(cè)量點(diǎn)的溫度并通過(guò)CAN總線通訊發(fā)送給.上位機(jī)進(jìn)行顯示、分析和處理。
測(cè)溫模塊軟件通過(guò)C語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[7-8]其工作流程如圖3所示。
 
　　測(cè)溫模塊在首次使用前應(yīng)外接標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓源進(jìn)行精度校準(zhǔn)校準(zhǔn)完成后接收.上位機(jī)下發(fā)的CH1~CH16共16個(gè)通道熱電偶傳感器配置類型及冷端補(bǔ)償通道熱電阻配置類型信息保存在各通道的類型配置變量中;然后測(cè)溫模塊通過(guò)測(cè)量冷端補(bǔ)償熱電阻阻值的大小,查詢相應(yīng)類型的熱電阻分度表計(jì)算出熱電偶傳感器冷端所處的環(huán)境溫度T;再循環(huán)對(duì)16個(gè)通道的熱電偶傳感器電壓值進(jìn)行測(cè)量得到16個(gè)通道的電壓值U,~U16最后根據(jù)各通道的熱電偶傳感器類型和冷端溫度T計(jì)算出各通道熱電偶傳感器測(cè)量點(diǎn)的溫度值通過(guò)CAN網(wǎng)發(fā)送給上位機(jī),同時(shí)對(duì)測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理判斷該通道是否斷線或越限,以確定是否進(jìn)行報(bào)警指示。
2.1冷端補(bǔ)償及溫度計(jì)算方法
　　國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表是當(dāng)冷端溫度為0℃時(shí)熱電偶傳感器2個(gè)不同金屬之間的電勢(shì)差與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系表。但在實(shí)際工程測(cè)量時(shí)很難把熱電偶傳感器的冷端放置在零度中一般是把冷端直接置于環(huán)境溫度中,由于冷端的環(huán)境溫度不是0℃如果簡(jiǎn)單地把測(cè)量到的熱電偶電壓差按照標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表進(jìn)行查詢和計(jì)算則所得到的測(cè)量點(diǎn)溫度是不正確的。因此在工業(yè)場(chǎng)合使用熱電偶傳感器測(cè)溫時(shí)，需要對(duì)其冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正熱電偶電壓差值再按照標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表查找并計(jì)算才能得到測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度]。
2.1.1冷端補(bǔ)償
　　測(cè)溫模塊的冷端補(bǔ)償是通過(guò)熱電阻傳感器來(lái)測(cè)量熱電偶傳感器冷端所處的環(huán)境溫度。熱電阻測(cè)溫原理如圖4所示，測(cè)量方法采用四線制通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)給熱電阻傳感器再通過(guò)測(cè)量熱電阻傳感器兩端的電壓大小,可計(jì)算出熱電阻傳感器的阻值大小再查詢?cè)擃愋偷臒犭娮璺侄缺砭涂傻玫綗犭娮鑲鞲衅魉幍沫h(huán)境溫度也就是熱電偶傳感器冷端所處的環(huán)境溫度。
 
2.1.2溫度值計(jì)算
　　實(shí)際測(cè)量點(diǎn)的溫度值計(jì)算需要知道冷端補(bǔ)償熱電阻大小及其分度表、熱電偶傳感器電壓值及其分度表。例如冷端補(bǔ)償用的熱電阻為Cu50、測(cè)量點(diǎn)的熱電偶傳感器為K型實(shí)際測(cè)量點(diǎn)的溫度值計(jì)算流程如圖5所示。
 
　　第一步通過(guò)測(cè)量到冷端補(bǔ)償熱電阻的阻值大小,查詢Cu50熱電阻分度表計(jì)算出冷端溫度Tci第二步反查K型熱電偶分度表得到冷端補(bǔ)償?shù)碾妷褐礥rc;第三步把冷端補(bǔ)償電壓值Urc補(bǔ)償?shù)綄?shí)際測(cè)量到的K型熱電偶傳感器的電壓值Ukc-上如式(1)所示得到冷端為0℃時(shí)的熱電偶傳感器電壓值Uk;第四步通過(guò)Uk值查詢K型熱電偶分度表插值計(jì)算出實(shí)際測(cè)量點(diǎn)的溫度TK*
 
2.2精度校準(zhǔn)
　　某些型號(hào)的熱電偶傳感器測(cè)量點(diǎn)溫度值較大變化弓|起的電壓值變化非常微小。表1所示B型熱電偶分度表300℃對(duì)應(yīng)的電壓與301℃對(duì)應(yīng)的電壓差值僅為0.003mV即3μV.B型熱電偶的最高量程為1820℃如果要使模塊的測(cè)量相對(duì)誤差為2%oF.S(滿量程)即測(cè)量溫度絕對(duì)誤差應(yīng)控制在3.66℃之內(nèi),則測(cè)量到熱電偶傳感器電壓值的絕對(duì)誤差應(yīng)該控制在0.01mV,即10μV以內(nèi)才能滿足精度要求。測(cè)溫模塊雖然采用了精度較高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器但要同時(shí)測(cè)量16個(gè)通道的熱電偶傳感器的電壓值且須把誤差控制10μV以內(nèi)測(cè)量通道帶來(lái)誤差、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的線性誤差等都會(huì)對(duì)測(cè)量精度帶來(lái)較大的影響。
 
　　為解決測(cè)溫模塊測(cè)量溫度時(shí)誤差過(guò)大的問(wèn)題裝置采用外部校準(zhǔn)的方法即每1個(gè)測(cè)溫模塊在正式使用之前在2個(gè)測(cè)量通道(如第-通道CHI和第二通道CH2)外加標(biāo)準(zhǔn)的精度高參考電壓源V和V.把模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量到的這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)應(yīng)的碼值X口和X保存在CPU內(nèi)部的FLASH中。正式測(cè)量過(guò)程中把測(cè)量到實(shí)際熱電偶傳感器電壓值對(duì)應(yīng)的碼值X通過(guò)式(2)插值計(jì)算出實(shí)際熱電偶傳感器電壓值來(lái)道過(guò)該緩法可有效減少通道誤差以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的線性誤差。進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),應(yīng)保證參考電壓源的穩(wěn)定性并選擇精度高的儀表進(jìn)行校準(zhǔn)值的監(jiān)視和調(diào)整。
 
3試驗(yàn)結(jié)果與總結(jié)
　　由B型熱電偶分度表可知當(dāng)溫度差為1C時(shí)其對(duì)應(yīng)的電壓差非常小只有3μV左右因此測(cè)溫模塊應(yīng)具有較高電壓測(cè)量精度。為了檢驗(yàn)該測(cè)溫模塊的測(cè)量精度在其中1個(gè)通道施加一定電壓以模擬實(shí)際B型熱電偶信號(hào)測(cè)溫模塊的測(cè)量溫度與熱電偶分度表的標(biāo)準(zhǔn)溫度對(duì)比如表2所示。例如,當(dāng)施加的熱電偶電壓為0.787mV其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值為400℃而測(cè)溫模塊測(cè)量到的溫度為400.8℃絕對(duì)誤差僅為0.8℃相對(duì)誤差可以達(dá)到0.44%oF.s.由此可見該測(cè)溫模塊具有較高的.測(cè)量精度。
 
　　多通道智能測(cè)溫模塊具備測(cè)量點(diǎn)多支持多種類型的熱電偶傳感器采用外部精度校準(zhǔn)和冷端溫度補(bǔ)償?shù)确椒ň邆漭^高的溫度測(cè)量精度可以滿足DCS系統(tǒng)對(duì)火電廠溫度測(cè)量的要求。