王安敏 孔令布 孟海彥

（青島科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 青島 266061）

1 引言

K型熱電偶是工程上廣泛使用的溫度傳感器。其材料主要由鎳鉻—鎳硅合金構(gòu)成，因?yàn)槠錅y(cè)量溫度范圍廣，穩(wěn)定性好，鎳鉻—鎳硅合金抗高溫氧化能力強(qiáng)的能力強(qiáng)，復(fù)現(xiàn)性好所以K型熱電偶被廣泛的使用在測(cè)量高溫的場(chǎng)合。但是熱電偶測(cè)量溫度時(shí)輸出的熱電動(dòng)勢(shì)很微弱不能被微控制器直接處理，必須經(jīng)過濾波，信號(hào)放大以后最終由微控制器進(jìn)行處理以及熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)溫度并不呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系?；诖耍F(xiàn)設(shè)計(jì)一種基于K型熱電偶采用高精度ADC1148轉(zhuǎn)換芯片，LM35溫度傳感器芯片以STM32為主控芯片的測(cè)溫裝置。

2 電路工作框圖

該測(cè)溫裝置工作示意圖如圖1所示，由熱電偶的工作原理可知K型熱電偶實(shí)際使用過程中測(cè)得溫度是工作端與冷端所處環(huán)境溫度之間的差值。由于熱電偶使用時(shí)處于不同的環(huán)境造成冷端溫度不能保持恒定溫度影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。由于LM35溫度傳感器集成芯片的輸出電壓與溫度呈現(xiàn)很好的線性度，所以采用LM35集成芯片對(duì)熱電偶冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償滿足不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)量精度的要求。STM32微控制器收到讀取溫度的指令后，對(duì)四路溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，讀取冷端補(bǔ)償溫度，并將采集來的數(shù)據(jù)處理后送到LCD12864進(jìn)行溫度顯示。

圖1 測(cè)溫裝置工作示意圖

3 K型熱電偶測(cè)溫電路原理

3.1 熱電偶測(cè)溫原理

由材質(zhì)不同的兩種導(dǎo)體，構(gòu)成閉合回路就形成了熱電偶。當(dāng)閉合回路的兩個(gè)接觸點(diǎn)處于不同的溫度場(chǎng)中時(shí)就會(huì)在回路中產(chǎn)生微弱的電流和熱電動(dòng)勢(shì)。熱電偶工作時(shí)熱端處于被測(cè)環(huán)境中，冷端為自由端處于恒溫環(huán)境中。其恒溫大小由式（1）確定

公式中E（t0，0）為熱電偶非工作端溫度為0℃時(shí)熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)；E（t，0）為K型熱電偶經(jīng)過LM35集成溫度傳感器芯片補(bǔ)償后輸出的熱電動(dòng)勢(shì)；t為熱電偶實(shí)際測(cè)得溫度，t0為熱電偶冷端溫度，E（t，t0）為熱電偶實(shí)際測(cè)出的熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)；t0為相對(duì)于0℃時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)［1］。

3.2 測(cè)溫模塊電路設(shè)計(jì)

K型熱電偶與ADS1148的電路連接如圖2 ADS1148芯片內(nèi)部集成數(shù)字濾波器，放大倍數(shù)最高可達(dá)128倍的可編程增益放大器PGA，在每路的信號(hào)采集端設(shè)置了濾波器衰減被測(cè)信號(hào)中存在的干擾信號(hào)。差分輸入可以抑制熱電偶溫度測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的共模信號(hào)的干擾，提高測(cè)溫的準(zhǔn)確性。該裝置充分利用ADS1148內(nèi)部的集成資源，使用片上參考電壓大大簡(jiǎn)化了測(cè)量裝置的復(fù)雜性。

3.3 熱電偶冷端補(bǔ)償電路

熱電偶在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，熱端置于被測(cè)環(huán)境中，冷端暴露作業(yè)環(huán)境中。所以可以認(rèn)為冷端溫度為作業(yè)環(huán)境的溫度。而作業(yè)環(huán)境溫度是隨四季氣候變化而變化的，造成冷端溫度不恒定。由熱電偶測(cè)溫原理可知，為了提高溫度測(cè)量的精確性所以必須對(duì)冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

圖2 測(cè)溫模塊電路

常用的冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ腥N。

1）補(bǔ)償導(dǎo)線法

所謂補(bǔ)償導(dǎo)線法就是將化學(xué)成分不一樣的兩根導(dǎo)線在一定的溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶具有一致的熱電性。為了使熱電偶測(cè)量溫度時(shí)冷端保持恒定的溫度可以把導(dǎo)線做的很長(zhǎng)，就相當(dāng)于熱電極延長(zhǎng)使冷端遠(yuǎn)離被測(cè)溫度對(duì)象并處在一個(gè)恒溫的環(huán)境中。這樣熱電偶測(cè)量的溫度值與溫差熱電勢(shì)的關(guān)系就是單一函數(shù)。此方法價(jià)格相對(duì)便宜，但是測(cè)量精度不高存在較大誤差且使用極不方便［2］。

2）電橋補(bǔ)償法

如圖3所示為了消除冷端溫度不能保持恒定溫度的影響，采用將不平衡電橋串接于熱電偶測(cè)溫電路中，當(dāng)冷端環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)冷端與溫敏電阻同時(shí)受到溫度變化的影響，此時(shí)平衡電橋輸出的電勢(shì)可以抵消由于冷端環(huán)境溫度變化引起的不良影響，動(dòng)態(tài)完成對(duì)熱電偶的冷端補(bǔ)償。

圖3 電橋補(bǔ)償電路

3）集成溫度傳感器法

為了提高該裝置的測(cè)量精度，需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償。該裝置采用LM35集成溫度傳感器芯片進(jìn)行冷端補(bǔ)償。LM35溫度傳感器芯片的輸出電壓與環(huán)境溫度呈線性度，在-50℃～150℃范圍內(nèi)溫度每升高1℃則LM35相應(yīng)的輸出電壓增加10mV。K型熱電偶溫度每升高1℃相應(yīng)的電壓增加40μV，此時(shí)熱電偶與LM35的輸出電壓隨溫度變化并不一致。為了使冷端U1的熱電勢(shì)與熱電偶隨溫度變化一致必須對(duì)LM35的輸出電壓用電阻R2進(jìn)行分壓，調(diào)節(jié)電阻R1使冷端的電勢(shì)E=Vout∕244。經(jīng)過電阻R2對(duì)LM35的輸出電壓進(jìn)行分壓處理后，冷端的電勢(shì)變化與熱電偶隨溫度的變化一致即完成溫度補(bǔ)償。與傳統(tǒng)外接導(dǎo)線法相比此方法可操作性好易于實(shí)現(xiàn)可靠性強(qiáng)，測(cè)量精度高［3］。

圖4 集成溫度傳感器補(bǔ)償電路

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 誤差分析及修正

因?yàn)镵型熱電偶的輸出熱電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)溫度存呈現(xiàn)非線性關(guān)系，而且熱電偶自身材料的不均勻性，以及熱電偶的不穩(wěn)定性也會(huì)影響溫度測(cè)量精度，造成測(cè)量溫度與實(shí)際溫度存在較大誤差。為了提高該裝置測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性，使用Matlab軟件對(duì)測(cè)得實(shí)際溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和校正。使測(cè)量溫度誤差得到極大的改善［1］。在測(cè)量溫度-50℃～500℃內(nèi)以30℃等間距間隔劃分為-50℃～-20℃、-20℃～10℃。在測(cè)量溫度范圍10℃～500℃內(nèi)劃分為10℃～300℃、300℃～500℃進(jìn)行分段線性擬合得到K型熱電偶的輸出熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系。

Tt為冷端溫度；V為相應(yīng)的電壓值［4］。

4.2 測(cè)溫軟件主流程圖

測(cè)溫系統(tǒng)主流程圖如圖5所示對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，提高測(cè)量裝置的精度。

5 測(cè)溫效果與分析

在完成硬軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了檢測(cè)該測(cè)溫裝置在實(shí)際使用時(shí)測(cè)量的誤差以及該裝置在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)量溫度的穩(wěn)定性。所以用該測(cè)溫裝置與高精密的測(cè)溫裝置在相同環(huán)境，相同溫度下進(jìn)行溫度測(cè)量以驗(yàn)證在實(shí)際應(yīng)用的測(cè)溫效果。步驟如下：

圖5 主流程圖

1）首先在該測(cè)溫裝置允許測(cè)量溫度范圍內(nèi)-50℃～500℃設(shè)置了12個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)。

2）把精密測(cè)溫裝置和放在環(huán)境相同的封閉恒溫槽容器內(nèi)，通過串口把測(cè)得的溫度值顯示在LCD12864液晶顯示屏上。

3）每十分鐘觀測(cè)一次溫度值，并將觀測(cè)的溫度數(shù)據(jù)記錄下來。各個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量值，數(shù)據(jù)記錄見如下表1。通過對(duì)比高精密測(cè)溫裝置與該測(cè)溫裝置實(shí)際測(cè)得溫度數(shù)據(jù)表明設(shè)計(jì)的該測(cè)溫裝置測(cè)溫穩(wěn)定性能好，測(cè)溫精度達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的要求。同時(shí)利用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?，可以減小每段的線性化誤差，在整個(gè)的測(cè)溫范圍內(nèi)具有±0.1℃測(cè)量誤差，保證了測(cè)溫的準(zhǔn)確性。

表1 實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)