一种基于K型热电偶的测温系统

摘要:温度控制广泛应用于化工、冶金、制药、航天、导弹试射等领域,工作环境存在温度的剧烈变化和复杂的强电磁干扰,对设备工作的精确度稳定性和可靠性提出了严格要求.针对精度高温度测量需求,本文设计了一种基于K型热电偶测温系统.系统以AD8495为核心,利用HCNR201线性光耦进行隔离,AD7790转换器件完成AD转换和,上位机通信功能.样机性能测试结果表明:该系统可以实现测温精度高于+0.05℃,具有+0.015℃的分辨率.
0引言
       温度控制广泛应用于化工、冶金、制药、航天、导弹试射等领域,对系统安全生产效率、产品质量、节能减排等重大技术指标有着直接影响.同时,应用于上述领域的系统多工作于极端环境,存在温度的剧烈变化和复杂的强电磁干扰,对设备工作的精确度、稳定性和可靠性提出了严格要求.热电偶测温范围广,在-50℃至+1600℃范围内均可连续测量,某些基于特殊材料的热电偶低温可延拓至-269C,而高温则可达+2800℃.同时,由于热电偶可以直接与被测物体接触,有可能获得较高的测温精度,能够很好地满足.上述系统的应用需求,但系统实测精度及可靠性有赖于电路设计.本文设计了一种基于K型热电偶的测温系统,具有可靠性高、精度高、设计简单、通用性强等优点,具有较高的应用和推广价值.
1测温系统设计
       基于K型热电偶测温系统如图1所示.系统利用K型热电偶温度传感器实时感知温度,热电偶输出经外部RFI滤波器消除高频共模和差分噪声后接人仪表放大器AD8495,进行前置放大及K型热电偶的冷端补偿,再由后置低通滤波器解决其他的残余噪声.为了提高系统的稳定性与可靠性，避免外界电磁干扰信号对后级电路产生影响,信号经过线性光耦隔离器件HCNR201进行接地隔离后接人模数转换器件AD7790,温度转换为数字信息后通过AD7790的串行外围接口(SPI)接入单片机进行转换和显示处理.
1.1信号调理电路设计
       信号调理电路以AD8495为核心,如图2所示.AD8495为集成K型热电偶参考结点温度补偿的仪表放大器,固定增益为122,电压输出精度为5mV/9C.[4]
       由于热电偶产生的电压信号很小,在通过补偿导线接人AD8495过程中会引人射频干扰噪声和线路串扰噪声.高频噪声若不滤除,经由AD8495放大输出,会表现为温度的波动变化,从而影响测温系统的精度与稳定性.射频干扰抑制由图2中R1,R2,C1,C2,C3构成的滤波电路完成,其中,R1=R2=R=100Ω,C1=C2=C=0.01μF,Cg=1μF.滤波电路的共模截止频率fm与差模截止频率fa分别由式(1)确定.

       由式(1)可得,电路的差模截止频率fan为792Hz,相应的共模截止频率f。为159kHz,即对于频率大于792Hz的差模电压和频率大于159kHz的共模电压成分具有很好的衰减作用,可以有效地滤除信号里
叠加的高频噪声.
       为了消除电路中的线路串扰噪声,在放大器AD8495后级电路设计了--个以运放AD822为核心的二阶低通滤波电路,其中R4.=R5=R=2kΩ,C1=C2=C=0.1μF,二阶低通滤波的截止频率为fH≈0.64/(2πRC)=509Hz.R6=R4+R5=4kΩ,二阶低通滤波器的通带增益为1,即模块AD822输出电压UA即为AD8495输出.
1.2线性光耦隔离电路设计
       为了对AD8495的输出进行线性传输而不把现场的噪声干扰引人控制系统,必须将温度采集的模拟电压信号与控制系统进行线性隔离.本系统采用线性光耦HCNR201进行隔离.线性光耦与普通光耦的隔离原理差别不大,不同在于线性光耦增加了-一个用于反馈的光电二极管,通过反馈电路的非线性抵消直通通路的非线性,实现线性传递,大大增加了线性区域.
       以HCNR201为核心的线性隔离电路如图3所示.由于光耦隔离器件是电流器件，所以在信号进人光隔离器件前首先进行电压-电流变换,信号离开光隔离器件后则进行了电流-电压变换.同时,为了减少光隔离器件与前后电路间负载的相互影响,在末级电路增加了一级电压跟随器.图3中所示隔离电路传递函数如式(2)所示.


       其中R7=Rg,K为光耦的传输增益,典型值为1.由公式(2)得出,本系统通过图3实现了热电偶经AD8495输出后增益为1的隔离输出.
1.3AVD转换电路设计
       AVD转换电路示意图如图4所示.本系统中A/D转换器件选用AD7790,其内置-一个低噪声16位2-△型ADC,一路差分输人可配置为缓冲或无缓冲模式,一个增益可设置为1、2、4或8的数字PGA.图4中AD8476用于将单端输人变换为双端输出,与AD7790的输人匹配.R10,R.11,C9,C10,C11用于滤除高频噪声,提高ADC转换精度.

AD7790输出码为偏移二进制码,任意模拟输人电压的输出码可表示为:

2刻度标定
2.1标定方法
       热电偶电压输出对温度进行标定的方法有两种:--种是输出查表法,一种为公式法.本系统采用的是查表法.下面以AD7790输出数据416为例,说明温度标定过程:
(1)将AD7790输出416代入公式(4)得AD8495输出电压为31.73664mV;
(2)由AD8495固定增益122可得热电偶输出电压V为0.2490mV;
(3)查表1所示的K型热电偶电动势表得到所属温度区间(T1,T2)及电势区间(V1,V2);

2.2刻度标定的软件实现
       基于2.1节刻度标定方法,单片机中的刻度标定功能实现步骤如下:
(1)基于表1定义K型热电偶电动势表TEMP._TAB;
(2)编写函数Get_Raw__Data()实现AD数字输出到热电偶的电压输出的转换,如下:


3测试系统
       在系统测试时,本文以冰水混合物和精度为0.01℃的恒温槽为参考标准,测试数据通过实验板上串口通信电脑,形成数据文档.图5是参考温度为6℃的测试数据,测试时间为30分钟,每分钟采集20个数据点,共测615个数据点.

       系统开始运行1分钟内采集1~20个点,数据有较大幅度跳变,跳变量约为15,小于0.5℃.而系统运行1分钟稳定后,在后面30分钟的测量时间段内,数据稳定在413.7541左右,最大值416,最小值410,最大误差约为0.01.图6为温度从20.79℃到5℃变化时的动态数据变化采集图,采集时间为60分钟,分钟采集20个数据点,共测1665个数据点,AD采集数据变化范围从1441到359.图6中可以看到温度测量数据具有很好的线性关系,并且严格按照每度AD采集数据在65左右变化,相应的温度分辨率为0.0153℃.证明了系统的可行性.

4结论
       本文以AD8495为核心,以K型热电偶温度传感器为测温元件,设计了一种测温系统.本系统性能测试结果表明:该设计测温精度可达+0.05℃,具有+0.015℃的分辨率.实际应用证明本系统具有精度高的温度测量，设计简单,可靠性强,工作性能稳定,基本不受外界影响,并且测温电路在加入电子多路选择开关后可以同时测量多个温度点,极大地节省了成本,可满足科学研究、医疗保健及工业场合较高的精度要求,具有很高的应用价值.