基于K型熱電偶溫度傳感器的測溫系統(tǒng)研究

杜林穎 于鴻彬 王磊

關(guān)鍵詞： 狀態(tài)檢測; K型熱電偶; 溫度傳感器; WiFi傳輸; 靜態(tài)校準(zhǔn); 數(shù)據(jù)擬合

中圖分類號： TN37+3?34; TP368 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）14?0036?05

Research on temperature measurement system based on K?type

thermocouple temperature sensor

DU Linying1， YU Hongbin1， WANG Lei2

（1. School of Mechanical Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China;

2. School of Mechanical Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： In allusion to the requirements of accuracy and convenient wireless transmission during the temperature acquisition for health state detection of the aircraft′s heat exchanger， a system for temperature acquisition using a K?type thermocouple sensor is built. In the system， the collected data is transmitted via WiFi. The static calibration and data fitting methods are used to improve the measurement accuracy. The system in combination with the upper computer can realize real?time collection， storage， analysis and historical query of the temperature far away from the harsh practical working environment. The experimental results show that the system is low?cost， and easy to operate with its sensor measurement accuracy controlled within 0.5 ℃ after static calibration and data fitting， which can achieve accurate temperature acquisition.

Keywords： state detection; K?type thermocouple; temperature sensor; WiFi transmission; static calibration; data fitting

0 ?引 ?言

在工業(yè)工程應(yīng)用中，溫度是常用的被控參數(shù)之一，溫度的采集和工業(yè)的控制技術(shù)占據(jù)重要地位，也得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1?2]。我國飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)故障率較高，這給飛機(jī)運(yùn)行造成了極大的影響[3]。熱交換器是飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中重要的組成部件，在飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的各種故障模式中，熱交換器的故障是最復(fù)雜的而且影響極大。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對飛機(jī)熱交換器故障診斷進(jìn)行研究[4?5]，研究表明，當(dāng)熱交換器污垢增多時(shí)，換熱效率也隨之降低，直觀表現(xiàn)在初級和次級熱交換器出口溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，表明熱交換器健康狀態(tài)差，需要清洗或維修[6]。在傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)中，RS 232串口通信可靠性高[7?8]，硬件接口簡單，但是在采集飛機(jī)熱交換器出口溫度時(shí)，現(xiàn)場噪聲大，環(huán)境惡劣，因此需要一個(gè)簡單易操作，適應(yīng)工作環(huán)境的通信方式。針對這一實(shí)際問題，提出基于WiFi無線傳感網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場采集飛機(jī)熱交換器出口溫度的系統(tǒng)。WiFi具有通信組網(wǎng)能力強(qiáng)、成本低、功耗低、體積小、信號穿透性好等優(yōu)點(diǎn)[9]，能夠使檢修人員在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的情況下精確采集到所需溫度數(shù)據(jù)，改善檢修人員的工作環(huán)境。本系統(tǒng)基于AVR單片機(jī)[10]的溫度采集系統(tǒng)，以K型螺釘式熱電偶溫度傳感器[11?12]作為溫度采集單元，ATmega16A單片機(jī)為主控芯片，USR?C215無線WiFi模塊作為傳輸模塊。利用上位機(jī)平臺，完成溫度數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示、存儲和報(bào)警等工作，研制出采集溫度時(shí)，不但可遠(yuǎn)離噪聲大、環(huán)境差的采集環(huán)境，而且可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的方案。

1 ?總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括K型熱電偶傳感器溫度采集終端模塊、AVR單片機(jī)控制模塊、WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和監(jiān)控界面及數(shù)據(jù)分析平臺，另外通過在停機(jī)坪現(xiàn)場測試驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性和可靠性。系統(tǒng)具體主要由上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)、通信模塊和報(bào)警模塊組成。溫度采集模塊經(jīng)過轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換之后，將數(shù)字信號發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。通過WiFi模塊與上位機(jī)進(jìn)行無線通信，將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)通過程序設(shè)計(jì)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與實(shí)際情況進(jìn)行對比，當(dāng)溫度超過安全范圍時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)報(bào)警電路，同時(shí)上位機(jī)將數(shù)據(jù)保存，以便日后查詢分析。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要完成溫度的采集、數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的傳輸，根據(jù)要求整體電路選用低功耗方案。系統(tǒng)硬件主要包括MCU中央處理器、WiFi通信模塊、K型熱電偶傳感器溫度采集終端和報(bào)警模塊。在電路設(shè)計(jì)過程中，除了特別需要的LED顯示燈，剩余大部分元器件都使用的是貼片元件，組裝密度高，重量輕，元器件之間布線距離短，高頻性能好，適用于本系統(tǒng)便于攜帶的需求。

2.1 ?MCU中央處理器模塊

本系統(tǒng)使用的是ATmega16A單片機(jī)。ATmega16A是高性能、低功耗的8位AVR單片機(jī)，16 KB可自編程存儲器，512 B E2PROM，擦寫壽命為100 000次，這為產(chǎn)品的反復(fù)修改和開發(fā)提供了極大的方便。ATmega16A作為中央處理器，整個(gè)系統(tǒng)的控制中心有32個(gè)可用I/O口，在用C語言進(jìn)行編程時(shí)，要將I/O口的輸入、輸出設(shè)定好。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要明確晶振、電源等外圍電路。

2.2 ?WiFi通信模塊

本系統(tǒng)采用基于WiFi的數(shù)據(jù)檢測方案，主要包括前端數(shù)據(jù)采集端、分布式無線接入點(diǎn)和上位機(jī)控制中心。整個(gè)飛機(jī)熱交換器溫度采集傳輸系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

2.3 ?K型熱電偶傳感器溫度采集終端

對于K型熱電偶蕊及測溫電偶絲，如果將熱電偶的熱端加熱，使得冷、熱兩端的溫度不同，則在該熱電偶回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢，這種物理現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象（即熱電效應(yīng)）。閉合回路示意圖如圖3所示。

圖中，熱電現(xiàn)象產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢組成，A和B是兩種不同的金屬。A和B接觸時(shí)，在接觸處會(huì)有電子擴(kuò)散現(xiàn)象發(fā)生，AB之間會(huì)產(chǎn)生接觸電勢，電勢定義為：

[ eAB（T）=k0TelnnAnB] （1）

式中：[k0]為玻爾茲曼常數(shù)，值為[1.38×10-23 J/K];[T]為絕對溫度;[nA]和[nB]為金屬材料A和B的自由電子密度;[e]為電子電荷電量，值為[1.6×10-10 C]。

當(dāng)任何一種金屬的兩端溫度不同時(shí)，兩端的自由電子濃度也不同，因此產(chǎn)生電勢差，即溫差電勢，電勢定義為：

[eA（T0，T1）=UT0-UT1] （2）

在實(shí)際情況中，同一種金屬產(chǎn)生的溫差電勢極小，是可以忽略的。假設(shè)將金屬A兩端分別放在高、低溫區(qū)，且[T0]>[T1]，則熱電偶的閉合回路電勢[EAB（T0，T1）]可表示為：

[EAB（T0，T1）=eAB（T0）-eAB（T1）=Ke（T0-T1）lnnAnB]

（3）

式（3）表示的是相對于冷端而言熱端的溫度，在溫度測量時(shí)需要得到的是以0 ℃為基準(zhǔn)的熱端溫度，因此需要通過[EAB（T0，0）]，[EAB（T0，T1）]和[T0]求出，這個(gè)過程就是熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。

冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N，本系統(tǒng)采用的是冰點(diǎn)補(bǔ)償法，即通過將補(bǔ)償導(dǎo)線末端放入冰水混合物恒溫器中的方法，把熱電偶冷端的溫度調(diào)為0 ℃，這樣可直接得到熱端的溫度。

熱電偶靜態(tài)校準(zhǔn)過程如下：

1） 將熱電偶的量程分為n個(gè)間距相等的點(diǎn);

2） 按照等間矩點(diǎn)分成的標(biāo)準(zhǔn)量從小到大依次輸入;

3） 按照等間矩點(diǎn)分成的標(biāo)準(zhǔn)量從大到小依次輸入。

依次重復(fù)步驟2）和步驟3），記錄測試結(jié)果。經(jīng)過對熱電偶的校準(zhǔn)，得到圖4所示結(jié)果。

由圖4可以看出，K型熱電偶傳感器線性度很好，且校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與分度表相差很小，因此該熱電偶性能可靠。

2.4 ?報(bào)警模塊

飛機(jī)熱交換器出口的溫度狀態(tài)分為正常、邊緣和高溫3種模式，本系統(tǒng)利用不同顏色的LED燈來表示其溫度狀態(tài)，表示方式如表1所示。

當(dāng)熱交換器出口溫度達(dá)到邊緣狀態(tài)時(shí)，需要工作人員對其進(jìn)行檢查是否需要清洗維修;當(dāng)達(dá)到高溫狀態(tài)時(shí)，熱交換器需立即從飛機(jī)上拆下進(jìn)行維護(hù)。為了讓現(xiàn)場工作人員更加清晰地了解情況，添加一個(gè)報(bào)警模塊，該模塊通過控制繼電器通斷控制警燈，當(dāng)溫度超過安全范圍時(shí)，高溫報(bào)警信號發(fā)送給單片機(jī)的一個(gè)I/O口，單片機(jī)控制繼電器吸合，警燈報(bào)警。

3 ?軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 ?人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面包括上位機(jī)顯示屏、數(shù)據(jù)分析與處理、通信監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢等部分。系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心，在設(shè)計(jì)過程中以Visual Studio為平臺，采用VB.net進(jìn)行編程，形成完整的監(jiān)測系統(tǒng)。整體設(shè)計(jì)框架如圖5所示。

首先，本系統(tǒng)是服務(wù)于飛機(jī)熱交換器出口溫度的采集上，飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中熱交換器不止一個(gè)，因此在使用之前需要將熱交換器信息錄入到系統(tǒng)中，并且針對不同的目標(biāo)設(shè)置相應(yīng)的IP地址，通過WiFi通信模塊與路由器節(jié)點(diǎn)建立連接以進(jìn)行準(zhǔn)確的WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)一對多通信;其次，溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度相比有一定的偏差，因此在實(shí)際采集數(shù)據(jù)之前需要進(jìn)行標(biāo)定;最后，本系統(tǒng)在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用操作時(shí)，需要將熱交換器編號、使用情況及現(xiàn)場操作的人員錄入進(jìn)去，以便對號入座。

由于現(xiàn)實(shí)情況的需要，溫度采集結(jié)束之后還需將所測數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，包括采集溫度的時(shí)間、熱交換器在飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中所處位置、溫度采集時(shí)熱交換器的狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)的工作人員姓名等。這些數(shù)據(jù)將會(huì)保存在數(shù)據(jù)庫中，在需要時(shí)上位機(jī)系統(tǒng)可以開啟數(shù)據(jù)查詢的功能。查詢條件包括熱交換器型號名稱、熱交換器在空調(diào)系統(tǒng)中的位置（測試點(diǎn)）、數(shù)據(jù)采集的日期范圍（查詢?nèi)掌冢?，?jīng)過條件輸入，可以查詢出精確的數(shù)據(jù)。另外還可以將所查詢到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格中，以便工作人員日后的分析處理。

3.2 ?最小二乘法數(shù)據(jù)擬合

硬件器件的選取很謹(jǐn)慎，在使用K型熱電偶之前進(jìn)行校準(zhǔn)，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中也難以避免發(fā)生運(yùn)放電路產(chǎn)生誤差、溫度漂移等現(xiàn)象，這會(huì)對測量精度產(chǎn)生影響。為了進(jìn)一步提高測量精度，在熱交換器出口溫度范圍內(nèi)，利用最小二乘法對實(shí)際測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并在Matlab里進(jìn)行誤差的分析，并與硬件電路輸出的誤差進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯?jīng)過最小二乘法擬合之后，測量誤差由原來的小于0.9 ℃降為擬合后的小于0.5 ℃，這符合工程使用時(shí)的精度要求。

4 ?實(shí)驗(yàn)測試

本系統(tǒng)主要應(yīng)用于飛機(jī)檢修時(shí)飛機(jī)初級和次級熱交換器出口溫度的采集。隨機(jī)在熱交換器3種有代表性的不同狀態(tài)下進(jìn)行測試，經(jīng)過校準(zhǔn)和擬合之后溫度測試結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯?jīng)過最小二乘法擬合之后隨機(jī)測量的溫度誤差小于0.5 ℃，符合設(shè)計(jì)要求，有效提高了精度。

本系統(tǒng)采集到的溫度數(shù)據(jù)既可以以表格的形式導(dǎo)出，又可以以曲線的形式呈現(xiàn)。曲線形式的呈現(xiàn)第一可以清晰地顯示出歷史數(shù)據(jù)，第二可以將溫度的變化趨勢呈現(xiàn)出來，第三可以將數(shù)據(jù)鏈接到Matlab中進(jìn)行溫度趨勢的預(yù)測。在實(shí)驗(yàn)測試中，成功將歷史數(shù)據(jù)以曲線的形式呈現(xiàn)出來，以次級熱交換器出口溫度為例，溫度曲線圖如圖8所示。

根據(jù)溫度變化的趨勢可以分析出熱交換器性能的變化趨勢，能提高預(yù)測熱交換器換熱性能，完善溫度采集系統(tǒng)。經(jīng)過測試，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能都能正常實(shí)現(xiàn)，且操作方便，所獲數(shù)據(jù)誤差在預(yù)期范圍內(nèi)，可靠性強(qiáng)，可以準(zhǔn)確快速地采集到熱交換器出口溫度。

5 ?結(jié) ?語

飛機(jī)熱交換器是飛機(jī)制冷系統(tǒng)中重要的組成部件，其健康狀態(tài)是飛機(jī)安全舒適運(yùn)行的參考指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)一套低成本、可靠性高的采集熱交換器出口溫度的系統(tǒng)，利用AVR單片機(jī)和K型螺釘式熱電偶溫度傳感器實(shí)現(xiàn)飛機(jī)熱交換器溫度的實(shí)時(shí)采集和控制，并在Visual Studio平臺下完成上位機(jī)監(jiān)控界面。通過WiFi對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，并在上位機(jī)界面完成數(shù)據(jù)的分析處理，有效地將測量、監(jiān)控和分析技術(shù)結(jié)合起來。經(jīng)測試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可操作性強(qiáng)，測量精度高，滿足飛機(jī)維護(hù)人員遠(yuǎn)距離、無線對熱交換器溫度的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控要求，工作環(huán)境得到有效的改善，工作效率得到有效的提高。

本文系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、成本低、操作簡單（無需布線）、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，不僅可以用于采集熱交換器出口溫度，在工業(yè)溫度采集中也有很好的應(yīng)用和發(fā)展空間。

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