熱電偶測溫及冷端補(bǔ)償研究與實現(xiàn)

趙 標(biāo)， 佘 俊

（1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 研發(fā)中心，上海200135；2.中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，上海200135）

0 引 言

熱電偶構(gòu)造簡單、使用方便，是船舶工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，具有測量精度高、測溫范圍廣、熱響應(yīng)時間快、機(jī)械強(qiáng)度高、耐壓性能好等優(yōu)點，適用于信號的遠(yuǎn)傳、自動紀(jì)錄和集中控制，在溫度測量中占有重要地位。以熱電偶工作原理為切入點，從硬件、軟件兩方面探討實現(xiàn)熱電偶測溫及冷端補(bǔ)償?shù)挠行Х椒ā?/p>

1 熱電偶工作原理

熱電偶是利用熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）工作的，工作原理見圖1，由兩種不同的金屬導(dǎo)體A和B組成閉合回路，當(dāng)兩端結(jié)點溫度不同（設(shè)為t和t0，其中t為熱電偶測量端溫度，t0為參比端即冷端溫度），則回路內(nèi)將產(chǎn)生熱電動勢EAB（t，t0）。熱電勢的大小只與熱電偶導(dǎo)體的材料以及兩端的溫差有關(guān)，t與t0的溫差越大，熱電勢越大，與熱電偶導(dǎo)體的長度、直徑等無關(guān)。

圖1 熱電偶工作原理圖

2 熱電偶冷端補(bǔ)償原理

測溫的目的是測得以0℃為基準(zhǔn)的測量端即熱端溫度t，而熱電偶輸出熱電勢EAB（t，t0）反映的是相對于冷端溫度的熱端溫度，只有將冷端置于冰水混合液中，才能使冷端溫度t0不受環(huán)境溫度的影響始終保持0℃，此時熱電勢EAB（t，0）對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)分度表的溫度才是測量點即熱端的溫度。而在實際工程應(yīng)用中，很難保證這樣的條件，這也是熱電偶測溫過程中需要冷端補(bǔ)償?shù)脑蚝鸵饬x。

根據(jù)中間溫度定律，

由式（2）可知，只要將實測熱電勢EAB（t，t0）加上冷端修正熱電勢EAB（t0，0）即可得到熱電偶測量端熱電勢EAB（t，0），通過查標(biāo)準(zhǔn)溫度表即可得到熱端溫度t，或者冷端處于恒溫環(huán)境，即t0已知的情況下，也可以方便地測得熱端溫度t。這種通過修正熱電勢EAB（t0，0）或t0進(jìn)而得到熱端溫度t的過程即為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。

3 硬件電路設(shè)計

測溫系統(tǒng)原理框圖見圖2，主控制器采用基于ARM7內(nèi)核的微控制單元（Micro Contr ol Unit，MCU），實現(xiàn)對A／D轉(zhuǎn)換器的控制、數(shù)據(jù)采集處理及與上位機(jī)通訊等功能。MCU與A／D轉(zhuǎn)換器、上位機(jī)之間的通訊均采取光電隔離，以減少電磁不同系統(tǒng)模塊之間的電磁干擾。

圖2 熱電偶測溫系統(tǒng)硬件平臺示意圖

3.1 A／D轉(zhuǎn)換電路

熱電偶輸出熱電勢為毫伏級小信號，因此硬件設(shè)計過程中必須對信號進(jìn)行放大并采用高精度A／D轉(zhuǎn)換器件，以提高測量精度，提出的熱電偶測溫系統(tǒng)采用TI公司24位Δ－Σ型A／D轉(zhuǎn)換器ADS1256，該器件內(nèi)嵌緩沖器、增益可編程放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）、Δ－Σ調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器等功能模塊，可以直接對熱電偶輸出的毫伏級熱電勢進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。為了進(jìn)一步提高測溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性，采用差分輸入的方法，以降低模擬信號傳輸過程中受到的干擾。應(yīng)用中，MCU通過串行外圍設(shè)備接口（Serial Perripheral Interfact，SPI）總線控制A／D轉(zhuǎn)換器的輸入通道極性、PGA增益倍數(shù)、工作模式、自校驗等。A／D轉(zhuǎn)換電路原理圖見圖3，轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓由TL431提供。

圖3 A／D轉(zhuǎn)換電路原理示意圖

3.2 冷端補(bǔ)償電路

測溫系統(tǒng)提供內(nèi)部、外部兩種冷端補(bǔ)償方式，可以根據(jù)實際需要進(jìn)行選擇外部冷端補(bǔ)償方式或者內(nèi)部冷端補(bǔ)償方式。外部補(bǔ)償，通過熱電阻傳感器直接測量熱電偶冷端溫度t0，板內(nèi)提供0.5 mA電流源；內(nèi)部補(bǔ)償，即板內(nèi)內(nèi)置溫度傳感器，當(dāng)熱電偶冷端溫度近似于測溫系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境溫度時，直接通過內(nèi)部溫度傳感器DS600測得運(yùn)行環(huán)境溫度，實現(xiàn)冷端補(bǔ)償，比較方便、經(jīng)濟(jì)。冷端補(bǔ)償電路原理圖見圖4。

圖4 冷端補(bǔ)償電路原理圖

4 軟件設(shè)計

熱電偶測溫系統(tǒng)軟件設(shè)計分為三部分：

（1）與硬件相關(guān)的驅(qū)動軟件，包括 WDT驅(qū)動、SPI驅(qū)動、熱電偶輸入驅(qū)動、I2C驅(qū)動和CAN通訊驅(qū)動等；

（2）對CAN通訊進(jìn)行應(yīng)用層的封裝；

（3）上層應(yīng)用程序設(shè)計，如熱電偶熱電勢測量，CAN報文實時發(fā)送，故障報警以及看門狗自復(fù)位等。

軟件的總體結(jié)構(gòu)見圖5。

熱電勢測量任務(wù)是整個軟件系統(tǒng)中的核心部分，主要完成數(shù)據(jù)采樣、A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)校正和補(bǔ)償并保存等任務(wù)，軟件流程見圖6。

圖5 熱電偶測溫系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 熱電勢測量任務(wù)流程圖

5 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

試驗過程中，用毫伏電壓發(fā)生器模擬K型熱電偶熱電勢EAB（t，t0）、電阻箱模擬熱電偶冷端熱電阻傳感器輸入測溫系統(tǒng)，完成A／D轉(zhuǎn)換后，通過MCU換算成溫度值上傳上位機(jī)，由上位機(jī)顯示測量溫度，試驗結(jié)果見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表1試驗數(shù)據(jù)顯示，該熱電偶測溫系統(tǒng)測量精度較高，測得的溫度誤差不超過1‰，滿足工程應(yīng)用需求。

6 結(jié) 語

所提出的熱電偶測溫系統(tǒng)，不僅提供外部冷端補(bǔ)償輸入接口，而且內(nèi)置溫度傳感器可實現(xiàn)內(nèi)部冷端補(bǔ)償，應(yīng)用方便靈活，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、測量精度高，完全滿足工程應(yīng)用需要，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在船舶自動化系統(tǒng)中得到較為廣泛的應(yīng)用。

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