一種基于K型熱電偶的測溫系統

摘要:溫度控制廣泛應用于化工、冶金、制藥、航天、導彈試射等領域,工作環境存在溫度的劇烈變化和復雜的強電磁干擾,對設備工作的精確度穩定性和可靠性提出了嚴格要求.針對精度高溫度測量需求,本文設計了一種基于K型熱電偶測溫系統.系統以AD8495為核心,利用HCNR201線性光耦進行隔離,AD7790轉換器件完成AD轉換和,上位機通信功能.樣機性能測試結果表明:該系統可以實現測溫精度高于+0.05℃,具有+0.015℃的分辨率.
0引言
       溫度控制廣泛應用于化工、冶金、制藥、航天、導彈試射等領域,對系統安全生產效率、產品質量、節能減排等重大技術指標有著直接影響.同時,應用于上述領域的系統多工作于極端環境,存在溫度的劇烈變化和復雜的強電磁干擾,對設備工作的精確度、穩定性和可靠性提出了嚴格要求.熱電偶測溫范圍廣,在-50℃至+1600℃范圍內均可連續測量,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+2800℃.同時,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.上述系統的應用需求,但系統實測精度及可靠性有賴于電路設計.本文設計了一種基于K型熱電偶的測溫系統,具有可靠性高、精度高、設計簡單、通用性強等優點,具有較高的應用和推廣價值.
1測溫系統設計
       基于K型熱電偶測溫系統如圖1所示.系統利用K型熱電偶溫度傳感器實時感知溫度,熱電偶輸出經外部RFI濾波器消除高頻共模和差分噪聲后接人儀表放大器AD8495,進行前置放大及K型熱電偶的冷端補償,再由后置低通濾波器解決其他的殘余噪聲.為了提高系統的穩定性與可靠性，避免外界電磁干擾信號對后級電路產生影響,信號經過線性光耦隔離器件HCNR201進行接地隔離后接人模數轉換器件AD7790,溫度轉換為數字信息后通過AD7790的串行外圍接口(SPI)接入單片機進行轉換和顯示處理.
1.1信號調理電路設計
       信號調理電路以AD8495為核心,如圖2所示.AD8495為集成K型熱電偶參考結點溫度補償的儀表放大器,固定增益為122,電壓輸出精度為5mV/9C.[4]
       由于熱電偶產生的電壓信號很小,在通過補償導線接人AD8495過程中會引人射頻干擾噪聲和線路串擾噪聲.高頻噪聲若不濾除,經由AD8495放大輸出,會表現為溫度的波動變化,從而影響測溫系統的精度與穩定性.射頻干擾抑制由圖2中R1,R2,C1,C2,C3構成的濾波電路完成,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,相應的共模截止頻率f。為159kHz,即對于頻率大于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里
疊加的高頻噪聲.
       為了消除電路中的線路串擾噪聲,在放大器AD8495后級電路設計了--個以運放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計
       為了對AD8495的輸出進行線性傳輸而不把現場的噪聲干擾引人控制系統,必須將溫度采集的模擬電壓信號與控制系統進行線性隔離.本系統采用線性光耦HCNR201進行隔離.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,實現線性傳遞,大大增加了線性區域.
       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，所以在信號進人光隔離器件前首先進行電壓-電流變換,信號離開光隔離器件后則進行了電流-電壓變換.同時,為了減少光隔離器件與前后電路間負載的相互影響,在末級電路增加了一級電壓跟隨器.圖3中所示隔離電路傳遞函數如式(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,本系統通過圖3實現了熱電偶經AD8495輸出后增益為1的隔離輸出.
1.3AVD轉換電路設計
       AVD轉換電路示意圖如圖4所示.本系統中A/D轉換器件選用AD7790,其內置-一個低噪聲16位2-△型ADC,一路差分輸人可配置為緩沖或無緩沖模式,一個增益可設置為1、2、4或8的數字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轉換精度.

AD7790輸出碼為偏移二進制碼,任意模擬輸人電壓的輸出碼可表示為:

2刻度標定
2.1標定方法
       熱電偶電壓輸出對溫度進行標定的方法有兩種:--種是輸出查表法,一種為公式法.本系統采用的是查表法.下面以AD7790輸出數據416為例,說明溫度標定過程:
(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型熱電偶電動勢表得到所屬溫度區間(T1,T2)及電勢區間(V1,V2);

2.2刻度標定的軟件實現
       基于2.1節刻度標定方法,單片機中的刻度標定功能實現步驟如下:
(1)基于表1定義K型熱電偶電動勢表TEMP._TAB;
(2)編寫函數Get_Raw__Data()實現AD數字輸出到熱電偶的電壓輸出的轉換,如下:


3測試系統
       在系統測試時,本文以冰水混合物和精度為0.01℃的恒溫槽為參考標準,測試數據通過實驗板上串口通信電腦,形成數據文檔.圖5是參考溫度為6℃的測試數據,測試時間為30分鐘,每分鐘采集20個數據點,共測615個數據點.

       系統開始運行1分鐘內采集1~20個點,數據有較大幅度跳變,跳變量約為15,小于0.5℃.而系統運行1分鐘穩定后,在后面30分鐘的測量時間段內,數據穩定在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℃變化時的動態數據變化采集圖,采集時間為60分鐘,分鐘采集20個數據點,共測1665個數據點,AD采集數據變化范圍從1441到359.圖6中可以看到溫度測量數據具有很好的線性關系,并且嚴格按照每度AD采集數據在65左右變化,相應的溫度分辨率為0.0153℃.證明了系統的可行性.

4結論
       本文以AD8495為核心,以K型熱電偶溫度傳感器為測溫元件,設計了一種測溫系統.本系統性能測試結果表明:該設計測溫精度可達+0.05℃,具有+0.015℃的分辨率.實際應用證明本系統具有精度高的溫度測量，設計簡單,可靠性強,工作性能穩定,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后可以同時測量多個溫度點,極大地節省了成本,可滿足科學研究、醫療保健及工業場合較高的精度要求,具有很高的應用價值.