1、    基于熱電偶試驗數(shù)據(jù)擬合的溫度檢測儀設(shè)計        陶盛，王東鋒，汪定江 時間:2009年07月13日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>測溫<"cblue" " target=

2、9;_blank'>輸出電壓<"cblue" " target='_blank'>集成運放<"cblue" " target='_blank'>A/D<"cblue" " target='_blank'>數(shù)字量            ? 摘要：以單片機強大的數(shù)據(jù)處理功能為基礎(chǔ)，以試驗數(shù)據(jù)的擬

3、合而不是理想<"cblue" " title="集成運放">集成運放的計算公式為測量依據(jù)，提出了檢測環(huán)境電勢和現(xiàn)場電勢的新方法，并根據(jù)兩者之和即為熱電偶標準電勢這一基本依據(jù)，設(shè)計了基于R型熱電偶的<"cblue" " title="測溫">測溫系統(tǒng)。由于采用了軟件對各電勢信號處理，大大簡化了傳統(tǒng)補償電路，使硬件設(shè)計僅包括環(huán)境溫度測量、現(xiàn)場電勢測量及單片機的信號處理三個模塊，并且顯著降低了成本。仿真表明，系統(tǒng)測溫精確，誤差小于5。? 關(guān)鍵詞：熱電偶；數(shù)據(jù)擬合；冷端補償；單片

4、機；熱端溫度? 在航空發(fā)動機排氣溫度檢測、熱處理、鑄造等廣泛領(lǐng)域都需要用到溫度儀表來檢測溫度，在這些儀表中用得最多的就是熱電偶儀表。然而由于熱電偶的非線性特點，使得熱電偶的測溫電路非常復(fù)雜。例如為了實現(xiàn)非線性變化量的測量，傳統(tǒng)測溫儀表電路往往需要十余個集成運放和近百個外圍電阻、電容等元件，不僅電路極為復(fù)雜，而且易受環(huán)境溫度影響，測量精度也難以提高。另一方面，由于用以計算溫度的熱電偶標準熱電勢是在其冷端溫度為0 時測量的3，而實際應(yīng)用中，熱電偶冷端溫度往往不是0 ，受環(huán)境影響在-50 +50 范圍內(nèi)變化，這種大幅度的環(huán)境溫度變化使熱電偶的測量產(chǎn)生巨大誤差，因此需對熱電偶進行冷端補償。同樣，傳統(tǒng)儀

5、表的冷端補償電路也存在電路復(fù)雜、調(diào)試困難等缺點。? 針對上述傳統(tǒng)測溫電路的缺點，可對簡單模擬電路的輸入、輸出數(shù)據(jù)進行擬合，將擬合結(jié)果交給數(shù)據(jù)處理功能強大的單片機處理，就可以使電路的設(shè)計結(jié)構(gòu)大大簡化，并獲得更高的檢測精度。本文在對大量試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)擬合和電路仿真的基礎(chǔ)上，提出了新的熱電偶測溫儀表設(shè)計方法，以期為該類型測溫儀表的生產(chǎn)提供參考。1 熱電偶的冷端溫度補償? 在電極材料和冷端溫度保持不變的情況下，熱電偶的熱電勢為熱端溫度(熱源溫度)的單值函數(shù)。通常工作溫度是由冷端為0 時的標準熱電勢來反映，因此需要對非0 的冷端進行溫度補償。其依據(jù)是中間溫度定律1：? 已知熱電偶的熱端溫度為T()，冷端

6、溫度為0 時的熱電勢為E(標準電勢)。如果：(1)該熱端溫度為Tn(環(huán)境溫度)，冷端溫度為0 時的熱電勢為E1(環(huán)境電勢); (2)該熱電偶的熱端溫度為T，冷端溫度為Tn時的熱電勢為E2(現(xiàn)場電勢)。那么：? E=E1+E2? ?(1)? 根據(jù)該定律，只要設(shè)法測出環(huán)境電勢E1，并將其與熱電偶測出的現(xiàn)場電勢E2求和，即可計算出對應(yīng)熱源溫度的標準熱電勢E，并由已知試驗結(jié)果確定出熱端溫度T。2? 環(huán)境電勢測量電路設(shè)計? 熱電偶的環(huán)境電勢是環(huán)境溫度的單值函數(shù)，所以只要利用熱電阻等溫度傳感器測出環(huán)境溫度就可以由已知的試驗結(jié)果確定出環(huán)境電勢。對K型熱電偶，其環(huán)境電勢隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系可由試驗數(shù)據(jù)的最小二

7、乘擬合得到。其計算公式如下：? E1=0.0392×Tn+0.0340? (2)? 式(2)中：E1為熱電偶的環(huán)境電勢(mV); Tn為環(huán)境溫度()。式(2)適用的溫度范圍為-50 +50 。? 式(2)中的環(huán)境溫度Tn可由圖1所示的電路實現(xiàn)。其中R22、R16、R17和R18組成測溫電橋，其輸出信號接差動集成運放UA741。R18為WZB型鉑熱電阻(0時，標稱電阻值為100)，R16為68標準電阻。該電路可以獲得近似恒流法的線性<"cblue" " title="輸出電壓">輸出電壓Vi2和Vi3。顯然Vi3與熱電阻R1

8、8存在線性關(guān)系，所以熱電阻隨溫度的變化可以線性地反映到輸出端Vo1。通過試驗測出不同溫度下的輸出電壓Vo1，將試驗結(jié)果擬合可確定出環(huán)境溫度Tn與輸出電壓Vo1的關(guān)系如下：? Tn=33.6080×Vo1-76.8451? ?(3)式(3)中，Tn為環(huán)境溫度(); Vo1為輸出電壓(V)。將模擬量Vo1經(jīng)<"cblue" " title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為<"cblue" " title="數(shù)字量">數(shù)字量后送入單片機即可計算出環(huán)境溫度Tn，再將Tn

9、代入式(2)即可由單片機計算出環(huán)境電勢E1。?3? 現(xiàn)場電勢測量電路設(shè)計? 圖2為測量現(xiàn)場電勢E2的電路，熱電偶所測出的現(xiàn)場電勢由電阻R14輸入到集成運算<"innerlink" " title="放大器">放大器UA741。由于集成運放并非完全理想，在精確的測量中，其輸出電壓Vo2與現(xiàn)場電勢E2間的計算關(guān)系不能簡單地采用理想集成運放的公式確定，而應(yīng)依據(jù)試驗建立。本文由數(shù)據(jù)擬合而確定的現(xiàn)場電勢計算公式如下：? E2=16.3017×Vo2-1.2603?(4)式中，E2為現(xiàn)場電勢(mV); Vo2為檢測電路的輸出電壓(V)

10、。將Vo2經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入單片機，即可由式(4)計算出現(xiàn)場電勢E2。?4? 熱電勢測溫信號處理電路設(shè)計? 在確定了環(huán)境電勢E1和現(xiàn)場電勢E2后，即可由式(1)確定熱電偶的標準電勢E。根據(jù)試驗結(jié)果4，可得出K型熱電偶熱端溫度T和標準電勢E存在如下擬合關(guān)系：? T24.5020×E-4.0446 ? (5)式中，T為待檢測的熱端溫度()，E為熱電偶冷端溫度為0時的標準電勢(mV)。圖3為由式(5)擬合的曲線，可以看出，該擬合公式具有很高的計算精度。依據(jù)式(5)可由單片機程序計算出熱端溫度。? 圖4為熱端溫度信號處理電路圖(及仿真效果)，主要由A/D轉(zhuǎn)換器件ADC0832、單片機

11、AT89S51、液晶顯示器LCD1602、上拉電阻R2R9等組成。? ADC0832主要完成模擬電壓信號的采集與轉(zhuǎn)換，該芯片有2個輸入通道CH0和CH1，其中CH0輸入現(xiàn)場電勢信號，接圖2的輸出電壓信號Vo2；CH1輸入環(huán)境電勢信號，接圖2的輸出電壓信號Vo1，2個電勢信號的采集次序受單片機AT89S51的指令控制。該芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號VAL與輸入模擬電壓Vi間的計算關(guān)系如下5:? VAL=51×Vi? ?(6)式中，VAL為輸出的數(shù)字信號(0255); Vi為輸入的模擬電壓(V)。當數(shù)字信號VAL輸入單片機后，即可依據(jù)(6)式求出輸入電壓Vi，并進而由(2)(3)式計算出環(huán)境電勢

12、E1和現(xiàn)場電勢E2。將兩者通過單片機求和即可算出標準電勢E。5? 冷端補償?shù)能浖O(shè)計? 采用單片機軟件進行信號處理與運算，可以替代傳統(tǒng)集成運放等傳統(tǒng)硬件電路，從而簡化電路結(jié)構(gòu)，縮小電路板體積。本文由軟件實現(xiàn)的冷端自動補償?shù)牟糠諧語言程序設(shè)計如下：? (受篇幅所限，省略有關(guān)液晶驅(qū)動、AD轉(zhuǎn)換子程序及有關(guān)變量聲明)? while(1)? /無限循環(huán)以對環(huán)境電勢和現(xiàn)場電勢進行全程采集? ? VAL= A_D0( )；? /對通道0進行A/D轉(zhuǎn)換，采集現(xiàn)場電勢E2的數(shù)字量? E2=8×VAL/25-1;? /計算現(xiàn)場電勢，依據(jù)式(4)和式(6)的化簡結(jié)果? VAL=A_D1( ); /對通道

13、1進行A/D轉(zhuǎn)換，采集環(huán)境電勢E1的數(shù)字量? E1=VAL/40-3；/計算環(huán)境電勢，依據(jù)式(2)、(3)和(6)的化簡結(jié)果? E=E2+E1； /計算標準電勢? T=24×E+E/2-4；/計算熱端溫度，依據(jù)式(5)的化簡結(jié)果? display(T)；/調(diào)用顯示程序，在LCD上顯示熱端溫度? ? ? 6? 測溫儀表的仿真與試驗? 為確保熱電偶冷端補償?shù)能浻布O(shè)計正確，縮短開發(fā)周期，本文基于Proteus軟件進行了仿真。其基本過程是：(1)設(shè)計圖1以及圖1和圖4所示的仿真原理圖;然后將圖1中的熱電阻R18取值為111.88(30時的試驗值)，再將圖2中的輸入現(xiàn)場電勢取為37.325

14、mV(900 時K型熱電偶的標準電勢); (3)運行仿真，即可得到圖4所示熱端溫度的仿真效果。進一步試驗表明，系統(tǒng)測量誤差小于5。? 熱電阻隨環(huán)境溫度的變化，可以線性地變換為環(huán)境電勢隨環(huán)境溫度的變化，從而可以利用熱電阻測出環(huán)境電勢。現(xiàn)場電勢與輸出電壓間的關(guān)系是以試驗數(shù)據(jù)的擬合為基礎(chǔ)，而不是簡單地利用理想集成運放的計算公式，結(jié)果可使檢測精度明顯提高并簡化電路設(shè)計，這種設(shè)計方法的優(yōu)點是可以充分利用單片機強大的數(shù)據(jù)處理功能。? 通過對環(huán)境電勢信號和現(xiàn)場電勢信號的采集和A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機對轉(zhuǎn)換后的兩個數(shù)字信號變換、求和，即可實現(xiàn)熱電偶冷端的自動補償，不僅過程簡單，而且可以大大簡化傳統(tǒng)補償電路，符合用“