一種基于K型熱電偶的測溫系統(tǒng)

摘要:溫度控制廣泛應(yīng)用于化工、冶金、制藥、航天、導(dǎo)彈試射等領(lǐng)域,工作環(huán)境存在溫度的劇烈變化和復(fù)雜的強(qiáng)電磁干擾,對(duì)設(shè)備工作的精確度穩(wěn)定性和可靠性提出了嚴(yán)格要求.針對(duì)精度高溫度測量需求,本文設(shè)計(jì)了一種基于K型熱電偶測溫系統(tǒng).系統(tǒng)以AD8495為核心,利用HCNR201線性光耦進(jìn)行隔離,AD7790轉(zhuǎn)換器件完成AD轉(zhuǎn)換和,上位機(jī)通信功能.樣機(jī)性能測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測溫精度高于+0.05℃,具有+0.015℃的分辨率.
0引言
       溫度控制廣泛應(yīng)用于化工、冶金、制藥、航天、導(dǎo)彈試射等領(lǐng)域,對(duì)系統(tǒng)安全生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能減排等重大技術(shù)指標(biāo)有著直接影響.同時(shí),應(yīng)用于上述領(lǐng)域的系統(tǒng)多工作于極端環(huán)境,存在溫度的劇烈變化和復(fù)雜的強(qiáng)電磁干擾,對(duì)設(shè)備工作的精確度、穩(wěn)定性和可靠性提出了嚴(yán)格要求.熱電偶測溫范圍廣,在-50℃至+1600℃范圍內(nèi)均可連續(xù)測量,某些基于特殊材料的熱電偶低溫可延拓至-269C,而高溫則可達(dá)+2800℃.同時(shí),由于熱電偶可以直接與被測物體接觸,有可能獲得較高的測溫精度,能夠很好地滿足.上述系統(tǒng)的應(yīng)用需求,但系統(tǒng)實(shí)測精度及可靠性有賴于電路設(shè)計(jì).本文設(shè)計(jì)了一種基于K型熱電偶的測溫系統(tǒng),具有可靠性高、精度高、設(shè)計(jì)簡單、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),具有較高的應(yīng)用和推廣價(jià)值.
1測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)
       基于K型熱電偶測溫系統(tǒng)如圖1所示.系統(tǒng)利用K型熱電偶溫度傳感器實(shí)時(shí)感知溫度,熱電偶輸出經(jīng)外部RFI濾波器消除高頻共模和差分噪聲后接人儀表放大器AD8495,進(jìn)行前置放大及K型熱電偶的冷端補(bǔ)償,再由后置低通濾波器解決其他的殘余噪聲.為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，避免外界電磁干擾信號(hào)對(duì)后級(jí)電路產(chǎn)生影響,信號(hào)經(jīng)過線性光耦隔離器件HCNR201進(jìn)行接地隔離后接人模數(shù)轉(zhuǎn)換器件AD7790,溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息后通過AD7790的串行外圍接口(SPI)接入單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和顯示處理.
1.1信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
       信號(hào)調(diào)理電路以AD8495為核心,如圖2所示.AD8495為集成K型熱電偶參考結(jié)點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)膬x表放大器,固定增益為122,電壓輸出精度為5mV/9C.[4]
       由于熱電偶產(chǎn)生的電壓信號(hào)很小,在通過補(bǔ)償導(dǎo)線接人AD8495過程中會(huì)引人射頻干擾噪聲和線路串?dāng)_噪聲.高頻噪聲若不濾除,經(jīng)由AD8495放大輸出,會(huì)表現(xiàn)為溫度的波動(dòng)變化,從而影響測溫系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性.射頻干擾抑制由圖2中R1,R2,C1,C2,C3構(gòu)成的濾波電路完成,其中,R1=R2=R=100Ω,C1=C2=C=0.01μF,Cg=1μF.濾波電路的共模截止頻率fm與差模截止頻率fa分別由式(1)確定.

       由式(1)可得,電路的差模截止頻率fan為792Hz,相應(yīng)的共模截止頻率f。為159kHz,即對(duì)于頻率大于792Hz的差模電壓和頻率大于159kHz的共模電壓成分具有很好的衰減作用,可以有效地濾除信號(hào)里
疊加的高頻噪聲.
       為了消除電路中的線路串?dāng)_噪聲,在放大器AD8495后級(jí)電路設(shè)計(jì)了--個(gè)以運(yùn)放AD822為核心的二階低通濾波電路,其中R4.=R5=R=2kΩ,C1=C2=C=0.1μF,二階低通濾波的截止頻率為fH≈0.64/(2πRC)=509Hz.R6=R4+R5=4kΩ,二階低通濾波器的通帶增益為1,即模塊AD822輸出電壓UA即為AD8495輸出.
1.2線性光耦隔離電路設(shè)計(jì)
       為了對(duì)AD8495的輸出進(jìn)行線性傳輸而不把現(xiàn)場的噪聲干擾引人控制系統(tǒng),必須將溫度采集的模擬電壓信號(hào)與控制系統(tǒng)進(jìn)行線性隔離.本系統(tǒng)采用線性光耦HCNR201進(jìn)行隔離.線性光耦與普通光耦的隔離原理差別不大,不同在于線性光耦增加了-一個(gè)用于反饋的光電二極管,通過反饋電路的非線性抵消直通通路的非線性,實(shí)現(xiàn)線性傳遞,大大增加了線性區(qū)域.
       以HCNR201為核心的線性隔離電路如圖3所示.由于光耦隔離器件是電流器件，所以在信號(hào)進(jìn)人光隔離器件前首先進(jìn)行電壓-電流變換,信號(hào)離開光隔離器件后則進(jìn)行了電流-電壓變換.同時(shí),為了減少光隔離器件與前后電路間負(fù)載的相互影響,在末級(jí)電路增加了一級(jí)電壓跟隨器.圖3中所示隔離電路傳遞函數(shù)如式(2)所示.


       其中R7=Rg,K為光耦的傳輸增益,典型值為1.由公式(2)得出,本系統(tǒng)通過圖3實(shí)現(xiàn)了熱電偶經(jīng)AD8495輸出后增益為1的隔離輸出.
1.3AVD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
       AVD轉(zhuǎn)換電路示意圖如圖4所示.本系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器件選用AD7790,其內(nèi)置-一個(gè)低噪聲16位2-△型ADC,一路差分輸人可配置為緩沖或無緩沖模式,一個(gè)增益可設(shè)置為1、2、4或8的數(shù)字PGA.圖4中AD8476用于將單端輸人變換為雙端輸出,與AD7790的輸人匹配.R10,R.11,C9,C10,C11用于濾除高頻噪聲,提高ADC轉(zhuǎn)換精度.

AD7790輸出碼為偏移二進(jìn)制碼,任意模擬輸人電壓的輸出碼可表示為:

2刻度標(biāo)定
2.1標(biāo)定方法
       熱電偶電壓輸出對(duì)溫度進(jìn)行標(biāo)定的方法有兩種:--種是輸出查表法,一種為公式法.本系統(tǒng)采用的是查表法.下面以AD7790輸出數(shù)據(jù)416為例,說明溫度標(biāo)定過程:
(1)將AD7790輸出416代入公式(4)得AD8495輸出電壓為31.73664mV;
(2)由AD8495固定增益122可得熱電偶輸出電壓V為0.2490mV;
(3)查表1所示的K型熱電偶電動(dòng)勢表得到所屬溫度區(qū)間(T1,T2)及電勢區(qū)間(V1,V2);

2.2刻度標(biāo)定的軟件實(shí)現(xiàn)
       基于2.1節(jié)刻度標(biāo)定方法,單片機(jī)中的刻度標(biāo)定功能實(shí)現(xiàn)步驟如下:
(1)基于表1定義K型熱電偶電動(dòng)勢表TEMP._TAB;
(2)編寫函數(shù)Get_Raw__Data()實(shí)現(xiàn)AD數(shù)字輸出到熱電偶的電壓輸出的轉(zhuǎn)換,如下:


3測試系統(tǒng)
       在系統(tǒng)測試時(shí),本文以冰水混合物和精度為0.01℃的恒溫槽為參考標(biāo)準(zhǔn),測試數(shù)據(jù)通過實(shí)驗(yàn)板上串口通信電腦,形成數(shù)據(jù)文檔.圖5是參考溫度為6℃的測試數(shù)據(jù),測試時(shí)間為30分鐘,每分鐘采集20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),共測615個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn).

       系統(tǒng)開始運(yùn)行1分鐘內(nèi)采集1~20個(gè)點(diǎn),數(shù)據(jù)有較大幅度跳變,跳變量約為15,小于0.5℃.而系統(tǒng)運(yùn)行1分鐘穩(wěn)定后,在后面30分鐘的測量時(shí)間段內(nèi),數(shù)據(jù)穩(wěn)定在413.7541左右,最大值416,最小值410,最大誤差約為0.01.圖6為溫度從20.79℃到5℃變化時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)變化采集圖,采集時(shí)間為60分鐘,分鐘采集20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),共測1665個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),AD采集數(shù)據(jù)變化范圍從1441到359.圖6中可以看到溫度測量數(shù)據(jù)具有很好的線性關(guān)系,并且嚴(yán)格按照每度AD采集數(shù)據(jù)在65左右變化,相應(yīng)的溫度分辨率為0.0153℃.證明了系統(tǒng)的可行性.

4結(jié)論
       本文以AD8495為核心,以K型熱電偶溫度傳感器為測溫元件,設(shè)計(jì)了一種測溫系統(tǒng).本系統(tǒng)性能測試結(jié)果表明:該設(shè)計(jì)測溫精度可達(dá)+0.05℃,具有+0.015℃的分辨率.實(shí)際應(yīng)用證明本系統(tǒng)具有精度高的溫度測量，設(shè)計(jì)簡單,可靠性強(qiáng),工作性能穩(wěn)定,基本不受外界影響,并且測溫電路在加入電子多路選擇開關(guān)后可以同時(shí)測量多個(gè)溫度點(diǎn),極大地節(jié)省了成本,可滿足科學(xué)研究、醫(yī)療保健及工業(yè)場合較高的精度要求,具有很高的應(yīng)用價(jià)值.