李田科，于仕財(cái)，于樂

（1.中國人民解放軍91980部隊(duì)，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東 煙臺 264001）

0 引言

熱電偶是一種廣泛用于溫度測量的簡單元件，具有測溫范圍廣、堅(jiān)固耐用、響應(yīng)快、無自發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)。熱電偶由一端相連的兩根不同金屬線組成，相連端被稱為測量（“熱”）接合點(diǎn)，金屬線不相連的另一端接到信號調(diào)理電路。在熱電偶金屬和銅走線之間的這一個(gè)接合點(diǎn)被叫做參考（“冷”）接合點(diǎn)。每種熱電偶在其規(guī)定的溫度范圍內(nèi)具有獨(dú)特的熱電特性[1-2]，表1列出了4種最常用的熱電偶類型、所用金屬、對應(yīng)的溫度測量范圍以及塞貝克系數(shù)。

K型是最受歡迎的熱電偶，在可接受的精度范圍內(nèi)具有最高的經(jīng)濟(jì)性，測量溫度范圍廣，在0～1 000°C范圍內(nèi)線性度好等優(yōu)點(diǎn)，因此本記錄器采用K型熱電偶作為溫度變送器。

表1 常用的熱電偶類型

1 信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

記錄器作為一種儀器，將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程最為關(guān)鍵，也是本記錄器實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。熱電偶的輸出信號非常微弱，處理不當(dāng)就會引入誤差，導(dǎo)致精度降低。除了由于金屬特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有的不精確性外，熱電偶的測量精度只能達(dá)到參考接合點(diǎn)溫度的測量精度，這對參考接合點(diǎn)的溫度測量提出了更高的要求，電壓溫度曲線的非線性也會導(dǎo)致測量誤差的增加。

在參考接合點(diǎn)處產(chǎn)生的電壓取決于測量接合點(diǎn)和參考接合點(diǎn)兩處的溫度，由于熱電偶是一種差分器件而不是絕對式溫度測量器件，熱電偶的分度值都是基于0°C參考溫度來描述的，而在實(shí)際使用中不可能具備一個(gè)恒定的0°C環(huán)境供記錄器使用，必須知道參考接合點(diǎn)的溫度以獲得精確的絕對溫度讀數(shù)，這一過程被稱為參考接合點(diǎn)溫度補(bǔ)償（冷接合點(diǎn)補(bǔ)償）[3-4]。

因?yàn)闊犭娕嫉碾妷盒盘栁⑷?，信號調(diào)理電路一般需要約100左右的增益，這是相對簡單的信號調(diào)理，關(guān)鍵問題是如何識別實(shí)際信號和熱電偶引線上的拾取噪聲。由于熱電偶的引線較長，經(jīng)常穿過電氣噪聲密集的環(huán)境，引線上的噪聲可輕松地淹沒微小的熱電偶信號，一般通過差分放大接合低通濾波電路來解決干擾問題；另外系統(tǒng)的接地方式也會對干擾信號產(chǎn)生重大的影響，必須小心處理。常用熱電偶響應(yīng)曲線的斜率隨溫度而變化，如圖1所示。

K型熱電偶在0～1 000°C范圍內(nèi)的響應(yīng)曲線都比較平穩(wěn)，采用查表方式并結(jié)合線性差值方式即可滿足一般的精度要求。

2 溫度記錄器的方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)方案

AD7794為AD公司的高精度AD轉(zhuǎn)換芯片，適合高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置一個(gè)低噪聲24位型ADC，其中含有6個(gè)差分輸入，內(nèi)置片內(nèi)儀表放大器和基準(zhǔn)電壓源，支持高達(dá)128倍的增益，因而可直接輸入小信號，并簡化信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。該芯片內(nèi)置一個(gè)精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，也可采用最多兩個(gè)外部差分基準(zhǔn)電壓。其它片內(nèi)特性包括可編程激勵電流源、熔斷電流控制和偏置電壓產(chǎn)生器，利用偏置電壓產(chǎn)生器可將某一通道的共模電壓設(shè)置為AVDD/2[5]。AD7794可以采用內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘工作，輸出數(shù)據(jù)速率可在4.17～470 Hz的范圍內(nèi)變化。其功能框圖如圖2所示。

圖2 AD7794功能框圖

AD7794的均方根噪聲極低，具有較高的增益，單片即可完成信號前端的調(diào)理，其與熱電偶結(jié)合的信號誤差經(jīng)過理論計(jì)算，測量精度可以達(dá)到0.3°。

DS1626是MAXIM公司的高精度、3線數(shù)字溫度計(jì)/溫度監(jiān)視器，在0～+70°范圍內(nèi)，提供±5°的精度，加上信號調(diào)理誤差及差值誤差，溫度記錄器可以滿足±1°C的精度要求，用來檢測熱電偶的冷端溫度可以滿足應(yīng)用需求。

采用AD7794及DS1626的溫度記錄器的硬件系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 記錄器硬件原理框圖

a)系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行各器件的硬件配置，然后判斷各器件是否正常初始化，電池電壓是否正常。器件初始化后需要對AD進(jìn)行校準(zhǔn)，減少系統(tǒng)的測量誤差。根據(jù)器件初始化的結(jié)果和電池狀態(tài)顯示相應(yīng)的指示燈，完成系統(tǒng)初始化過程，記錄器進(jìn)入空閑狀態(tài)。

b)記錄狀態(tài)

系統(tǒng)在空閑狀態(tài)時(shí)，可以通過按鍵使記錄器進(jìn)入記錄狀態(tài)。在記錄狀態(tài)時(shí)，DS1626每秒讀出一次冷端溫度，根據(jù)冷端溫度查表得到冷端溫度對應(yīng)的電壓值，再與AD7794讀到的熱電偶的直接電壓值相加，再查表就可以得到熱電偶熱端的真實(shí)溫度，并保存到Flash存儲器中。

c)數(shù)據(jù)讀出

當(dāng)記錄器連接PC時(shí)，可以讀出之前保存的記錄；此時(shí)還可以根據(jù)電池的電壓來判斷是否進(jìn)行充電。

d)按鍵處理與顯示

根據(jù)按鍵狀態(tài)改變記錄器的工作模式，并對工作狀態(tài)進(jìn)行指示。

主控CPU選擇低功耗的ARM7處理器，因?yàn)橛涗浧魈幚淼男畔⒘勘容^小，而且需要使用電池進(jìn)行長時(shí)間供電，因此CPU的處理性能不需要特別關(guān)注，而CPU的功耗才是影響選型的重點(diǎn)。

存儲器選用2 M字節(jié)的串行接口Flash，串行接口Flash的接口簡單，讀寫速度也能滿足要求，同時(shí)維持較低的讀寫功耗。2 M字節(jié)的容量在6通道內(nèi)同時(shí)記錄，每秒記錄10次的數(shù)據(jù)時(shí)，可以連續(xù)記錄1.8 h，足以應(yīng)付大多數(shù)的記錄要求。

記錄器包含若干按鍵和指示燈，用于控制記錄器的工作和顯示記錄器的工作狀態(tài)。電源管理負(fù)責(zé)將電池電壓轉(zhuǎn)換為各芯片需要的工作電壓，同時(shí)在電池電壓低時(shí)自動對電池進(jìn)行充電。USB接口與PC連接時(shí)，可以通過上位機(jī)軟件將記錄器中保存的數(shù)據(jù)讀出分析。

2.2 軟件處理過程

記錄器的軟件總體流程圖如圖4所示，主要包括以下幾個(gè)步驟。

圖4 軟件總體流程圖

2.3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

DS1626的目的是檢測熱電偶的冷端溫度，因此在布局時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量地靠近熱電偶的冷端連接處，使其測量的溫度能夠較真實(shí)地反映熱電偶的冷端溫度。

AD7794實(shí)現(xiàn)了整個(gè)測溫的信號調(diào)理，需要對微伏的電壓信號進(jìn)行放大和濾波采樣，極易受到干擾而導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀出的誤差增加，強(qiáng)干擾還會直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可用，出現(xiàn)錯誤的記錄結(jié)果。因此在整體布局時(shí)這部分電路需要避開數(shù)字信號，模擬信號輸入端應(yīng)當(dāng)添加相應(yīng)的抗干擾濾波電路，同時(shí)在接地和電源供給時(shí)也應(yīng)獨(dú)立處理，避免其它模塊的電源噪聲干擾信號調(diào)理電路。

3 記錄結(jié)果分析

測試熱電偶的型號為美國OMEGA公司的微型熱電偶，測試用溫度計(jì)為分辨率0.1℃的水銀溫度計(jì)，對0～100℃的水選取5個(gè)溫度進(jìn)行測試記錄，結(jié)果如表2所示，由結(jié)果可知系統(tǒng)的誤差滿足±1℃的精度要求。

表2 測量值比較

4 結(jié)束語

雖然熱電阻在0～450°C有更高的測溫精度，例如PT100，無須冷端補(bǔ)償，在不使用軟件校正措施的情況下，精度就可達(dá)到0.75°C（300°C時(shí))，但每一路的熱電阻都必須配備恒流源的前提，卻限制了其在多路測溫場合中的應(yīng)用。而熱電偶依靠測量端與冷端溫差所引起的電動勢來反映測量端相對于冷端的溫度，在多通道 (有的超過12通道)的應(yīng)用中，只要能夠提高冷端補(bǔ)償精度，其便捷的設(shè)計(jì)和使用方法就會顯示出不可替代的優(yōu)越性。在實(shí)際的使用過程中，本記錄器可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間多通道溫度記錄功能，具有精度高，記錄時(shí)間長，使用靈活等特點(diǎn)，可廣泛地用于工業(yè)、環(huán)境等監(jiān)測領(lǐng)域，具有較高的實(shí)用性。

[1]高智慧，劉學(xué)平，占濤.基于K型熱電偶的多路溫控系統(tǒng)的研究 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，4(4)：7-9.

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