王曉丹，孟令軍，文 波，張曉春

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

熱電偶是在科研和生產(chǎn)過程中進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)應(yīng)用最普遍、最廣泛的測(cè)溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)[1]。但熱電偶輸出電勢(shì)極其微弱，而且冷端溫度誤差和輸出電勢(shì)與被測(cè)溫度的非線性容易引起較大測(cè)量誤差[2]。

基于此，本文以ARM微處理器作為裝置的控制核心，ADS1148作為測(cè)溫專用數(shù)據(jù)采集器，設(shè)計(jì)了一種基于K型熱電偶的高精度測(cè)溫裝置。該裝置具有可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 裝置工作原理

如圖1所示，主控MCU收到指令后完成對(duì)4路溫度傳感器信號(hào)的采集控制，讀取冷端補(bǔ)償溫度和ADC芯片的轉(zhuǎn)換結(jié)果后，把溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)到寄存器中，并通過串口將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)中通過上位機(jī)讀取各通道的溫度值并顯示。

圖1 裝置原理框圖Fig.1 Block diagram of the device

該裝置的主控MCU采用的是意法半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的STM32F103RET6，它是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器[3]。TI公司的ADS1148是高度集成的16位精密ADC芯片，ADS1148模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片屬于測(cè)溫專用數(shù)據(jù)采集器[4]。主控MCU負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行控制，與信號(hào)采集芯片ADS1148之間采用SPI總線進(jìn)行通信，一片ADC可以外接4路差分形式輸入的模擬信號(hào)[5]。

1.1 熱電偶測(cè)溫原理

2種不同材質(zhì)的導(dǎo)體A、B組成的閉合回路就構(gòu)成了熱電偶，同一導(dǎo)體當(dāng)其兩端存在溫度差時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)被稱為熱電勢(shì)[6]。熱電偶兩端為2個(gè)熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為冷端（自由端），冷端通常處于某個(gè)恒定的溫度。根據(jù)中間溫度定律得出：

式中：EAB（t，0）為補(bǔ)償后的熱電偶電動(dòng)勢(shì)；EAB（t，t0）為通過測(cè)量得出的熱電勢(shì)；EAB（t0，0）為冷端溫度 t0相對(duì)0℃時(shí)的熱電勢(shì)。

1.2 冷端補(bǔ)償電路

冷端溫度補(bǔ)償選用MAX6627芯片來實(shí)現(xiàn)，它和外部雙極型晶體管組成溫度采集器[7]。由晶體管感應(yīng)外部溫度變化，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，將電流差分信號(hào)作為輸入信號(hào)，經(jīng)過ADC將溫度轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號(hào)，精度為0.0625℃，由SPI口串行輸出，可測(cè)溫度范圍為-50℃～+150℃[8]。應(yīng)用原理圖如圖2所示。

圖2 MAX6627與MCU電路連接圖Fig.2 Circuit diagram of MAX6627 and MCU

2 提高測(cè)溫精度的方法

（1）K型熱電偶與ADS1148的電路連接如圖3所示，差分輸入方式可以很好地消除導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)溫精度的影響，在每路輸入端設(shè)計(jì)了前置濾波器，以衰減熱電偶上的噪聲，提高測(cè)溫精度。

圖3 K型熱電偶與ADS1148電路連接圖Fig.3 K-type thermocouple sensor and ADS1148 circuit connection

（2）ADS1148是高度集成的16位精密ADC芯片，本設(shè)計(jì)充分利用芯片內(nèi)部資源提高熱電偶測(cè)溫精度。ADS1148集成的低噪聲可編程增益放大器最大放大倍數(shù)可達(dá)128倍，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱模擬信號(hào)的精確測(cè)量；其內(nèi)部的數(shù)字濾波器能夠減弱干擾信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的影響，提高測(cè)溫精度；使用片上參考電壓源，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

（3）MAX6627是一種可兼容SPI串行接口的高精度數(shù)字溫度傳感器，可直接輸出冷端溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償，達(dá)到精確測(cè)溫的目的。與傳統(tǒng)的通過外接補(bǔ)償導(dǎo)線連入測(cè)控電路的方法相比，該方法簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，不需要外部調(diào)理電路，具有精度高、穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

（4）由于K型熱電偶的熱電勢(shì)隨溫度的變化是非線性的，加上引線電阻的非線性等因素的影響，導(dǎo)致熱電偶的輸出值與實(shí)際溫度值存在偏差。所以，為提高測(cè)溫精度，采用Matlab軟件進(jìn)行分段線性化處理，實(shí)現(xiàn)熱電偶的非線性誤差校正。

在測(cè)溫范圍-50℃～500℃劃分為-50℃～-20℃、-20℃～10℃、10℃～300℃、300℃～500℃進(jìn)行分段線性擬合，得到溫度與熱電勢(shì)關(guān)系模型：

式中：Tt為冷端溫度；V為對(duì)應(yīng)的電壓值。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

把熱電偶溫度傳感器放置在恒溫槽中，設(shè)定溫度為-50℃并進(jìn)行初次測(cè)試，恒溫槽溫度以每隔50℃變化，待其溫度穩(wěn)定后，即開始測(cè)試。測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差如表1所示。結(jié)果表明，該測(cè)溫裝置的溫度測(cè)量絕對(duì)誤差小于±0.1℃，達(dá)到了較高的測(cè)量精度。在需要高精度測(cè)溫的場(chǎng)合有很好的實(shí)用價(jià)值。

表1 熱電偶測(cè)溫結(jié)果及誤差Tab.1 Result and error of thermocouple temperature measurement

在-50℃～500℃溫度范圍內(nèi)利用選取的3個(gè)固定溫度的實(shí)測(cè)值和根據(jù)擬合算法測(cè)試的溫度值描繪出的點(diǎn)，通過這些點(diǎn)擬合出如圖4所示的2條直線。根據(jù)不同的要求，對(duì)測(cè)溫范圍所分的段越小，擬合直線就越接近實(shí)際溫度直線，補(bǔ)償后測(cè)溫的精度就越高。通過軟件補(bǔ)償這種方法可以避免硬件調(diào)節(jié)的復(fù)雜性和保證測(cè)溫裝置的穩(wěn)定性，簡(jiǎn)單可靠容易實(shí)現(xiàn)。

圖4 測(cè)溫曲線擬合結(jié)果Fig.4 Result of fitting temperature curve

該裝置的上位機(jī)使用Matlab GUI界面設(shè)計(jì)。如圖5所示，可以通過選擇通道顯示某一路傳感器在一定時(shí)間內(nèi)的溫度變化曲線，并實(shí)時(shí)顯示冷端溫度值、當(dāng)前通道的溫度值與平均溫度。當(dāng)把第1路傳感器放置在溫度為50℃的恒溫槽中，從圖中可以看出，在冷端溫度為26℃時(shí)，測(cè)得當(dāng)前通道溫度為50.03℃，平均溫度為50.05℃，誤差均保持在0.1℃以內(nèi)。

圖5 上位機(jī)界面Fig.5 Interface of upper machine

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于K型熱電偶的高精度測(cè)溫裝置，和傳統(tǒng)的測(cè)溫方法相比，裝置具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。能夠滿足在熱試驗(yàn)過程中溫度測(cè)試的需求，在高壓、高沖擊等惡劣環(huán)境中也有很好的應(yīng)用前景。

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