基于N型热电偶的智能化多通道测温系统

发布时间:2021-04-13     浏览次数:
摘要:针对冶金、机械制造等工业生产中对温度测试的需求,设计了一种基于N型热电偶测温原理的高精度多通道的测温系统。该系统以STM32为控制核心,ADS1148作为采集芯片,并通过WiFi处理模块Esp8266实现数据的.传送,使得用户可以远距离随时查看和监控数据。同时运用曲线拟合的最小二乘法对不同的传感器进行标定补偿,有效地提高了测温精度,避免了硬件调节的困难。实验结果表明,该系统的测温精度可以达到士0.1℃,且体积小、性能
可靠,在工业生产具有良好的应用前景。
0引言
  当设备运行在高低温环境中时,温度控制一直是人们所关心的问题,随着技术更迭,温度控制系统技术朝着更智能、高安全、功能多样等方面发展。K型热电偶是现在工业生产中应用最广泛的测温元件,具有价格便宜、测温范围广、抗氧化性能强等优点,但是K型热电偶在250℃~650℃中由于短程“有序无序”转换会造成测量误差,以及在150℃~260℃范围内会发生磁性转变引起热电势活动。目前国内外传统的测温器件多是采用RS485总线有线传输,受距离影响较大。许谨等只提出一种数据采集系统,多个前端数据采集设备与主机通过RS485总线远距离传输数据,系统结构清晰但电路较复杂且成本较高。传感器则大部分采用K型热电偶印],而N型热电偶可以抑制磁性转变。主控部分大多使用单片机STC89C52,荆海霞等可以STC89C52为核心设计了一种测温系统,虽然保证了小部分成本,但是其I/O口功能少且处理速度较慢。基于此,本文设计了一-种基于N型热电偶的高精度智能化测温系统,该系统包括上下位机的软硬件模块设计,上位机与下位机之间通信采用Esp8266WiFi模块,使监测温度时受距离因素影响较小,方便实用。
1系统的总体结构
  本系统使用STM32F103VET6对整个系统进行控制,其内核是Cortex-M3,32位ARM微控制器。温度信号采集使用4片TI的16位高精度模数转换ADS1148芯片,STM32F103VET6与ADS1148之间采用串行外部设备接口(serialperipheralinterface,SPI)总线进行通信,与上位机之间采用Esp8266WiFi通信模块,传送数据。系统结构框图如图1所示。

  由图1可知,ADS1148将PT100和热电偶的模数转换值通过SPI传送给主控芯片STM32F103VET6。在主控芯片读取冷端补偿温度和自身ADC芯片的转换结果后,通过Esp8266WiFi模块将温度上传到上位机显示。
2硬件设计电路设计
2.1SPI总线协议
  SPI通信总线,使双向的数据进行瞬时的信号传输,同步高速”],具有传送速率快、通信简单等优点。它以主从方式工作,允许挂接多个ADC芯片。它的接口必须包含设备选择、时钟及串行数据输入/输出等信号线。本系统采用一主多从的四线制SPI,主控与ADS1148通信采用标准的串行接口。当SPI收到激活信号后,通信才会开始。
2.2ADS1148
  ADS1148是高度集成的精密16位模数转换器,具有非独立,低噪声,可编程增益放大器(PGA),以及单周期建立数字滤波器的精密delta-sigmaADC和内部振荡器。并且ADS1148对外供给10mA输出容量的内置电压基准,以及两个匹配的可编程电流数模转换器(DAC)。ADS1148为温度传感器应用提供完整的前端解决方案,包括热电偶,热敏电阻和电阻温度检测器(RTD)。ADS1148具有输出速率高,自我和系统校准,通用的I/O口以及与SPI兼容的串行接口等特性。ADS1148与外部设备的接法如图2所示。

  ADS1148的外部器件中,RTD对应于PT100传感器,R.eaD为连接PT100传感器的导线等效电阻,RBIAs选用的是高精度、低温漂的精密电阻。在温度传感器接入ADS1148之前,两者之间需要添加1个前置滤波器来消除噪声,因为温度信号是一个低频信号。低通滤波器主要由两个匹配的电阻,1个差分电容,两个共模电容组成。片上参考电压输人管脚为REFP0和REFN0,参考电压值为:
VREF.=2IDAC×RBIAS(l)
运放输入电压值为:
VAIN0=IDACX(RLEAD十RTD)十VN(2)
VAIN1=IDACXRLEAD十VN(3)
式中:VN为PT100两线段的电势值,计算公式为:
VIN=VAIN0-VAIN1(4)
当RTD随温度变化时,对应VIN也会变化:
VIN=VAIN0-VAIN1=IDACXRTD(5)
可以看出,运放的差分输人电压值与导线的电阻值大小无关。
2.3热电偶测温单元设计
  作为结构简单的测温元件,热电偶原理”主要是由2种不同材料的导体或者半导体的两端进行连接,并且使2个节点产生温度差,此时闭合回路中就会产生电流,即2个端点之间存在热动势。通常工作的一端温度较高,自由端(冷端)温度低,其温度一般是恒定的。根据中间温度定律得出:

  式中:EAB(t,0)为补偿后的热电偶电动势;EAB(t,to)为通过测量得出的热电势;EAB(to,0)为自由端温度to相对0℃时的热电势。
  因此,本系统采用DS18B20测量环境温度,通过查热电偶分度表的方式得到电压。将测得的温度值通过查表转化为电压值,最终的通道电压通过相加不同的电压值得到,即热电偶自由端和ADS1148测得的电压值,最后再次查表,将最终电压值转换为最终的通道温度E8-10]。温度传感器DS18B20与主控MCU之间无需外部元件仅用一条总线就能完成通信。其测温范围为-55到~125℃。若将其放置在参考结合点,测得在温度-10℃~85℃之内,测温精度为±0.5℃。热电偶测温流程如图3所示。
热电偶测温流程图示
2.4WiFi通信(Esp8266)
  本设计采用Esp8266WiFi处理模块进行通信,实时传输数据,用户可以不受距离限制就能对采集板进行控制及环境温度的监测。Esp8266WiFi模块支持多路TCP客户连接,它内部有TCP/IP的协议线,内置32位的MCU,也可以用作处理器,Esp8266WiFi模块支持3种工作模式,分别是STA、AP以及STA+AP。本设计采用的是STA模式,连接到热点后将Esp8266WiFi处理模块与主控板MCU通过串口连接,一-般建立连接后会自动分配一个默认IP1921684.2。之后将测温采集终端采集到的数据发送给路由器,再由路由器传送到后台显示到上位机界面供用户查看。STA模式下的组网结构如图4所示。

3系统软件设计
3.1软件流程设计
  多通道测温系统的软件主要完成对DS18B20输入端的温度测量、各通道电压的测量之后,分析数据并将通道电压值转换为温度值送人终端显示。程序流程如图5所示。

  由于热电偶是根据两端结合点温度差来测量温度的原理,为了减小误差,获取自由端温度后并对其进行补偿。这样才能得到最终的测量温度,减少误差。为了减少主控的负荷和功耗,可以在通道中进行电流测量,若通道回路中电流大于一定值时,那么就可以测量通道中的电压值;反之,则认为通道开路,无动作。
3.2标定补偿及最小二乘
  因为DS18B20的测量精度仅有±0.5℃,为了提升系统精度,采用最小二乘法对其进行标定,缩小传感器的误差。采用精密数字温度计的测量值作为实际温度,与温度传感器的测量值进行对比。如图6所示,精度为0.01℃精密数字温度计与DS18B20在0℃~50℃内所测得的10组温度值。以最小二次多项式作为目标函数,表达式为:

  式中:y为实际温度值;x为传感器所测得的温度值;ɑ。~ɑ2均为待定系数。
  由最小二乘多项式拟合原理[15]可知:

  将所测得的数据代人式(8),得出待定系数的值,则可得到最终的拟合表达式:

  式中:y为标定补偿后的温度值,单位为℃;x为传感器所测得的温度值,单位为℃;
  经过拟合之后,实际温度与所测温度的值如图7所示。通过比较结果可知,所测温度值经过二次拟合之后,精确度明显提高,与实际温度值的中心点基本重合,拟合效果较好。
  同理,由于PT100铂电阻的非线性特征,为了提高装置精度,在一50℃~250℃测温范围内对其进行分段线性建模,表达式分别为:

  式中:y代表拟合温度;x代表阻值。通过理论计算,最大误差分别一0。09623℃,0.098896℃以及0.094516℃,误差均在±0.1℃以内。

4测试结果
  为比较试验结果,将恒温箱初始温度设置为一50℃,PT100与N型热电偶放置在恒温箱内,每隔10min恒温箱温度变化--次,每次变化40℃,等待恒温箱温度达到设定值后开始测试。测试结果如表1所示。

  结果表明,温度传感器PT100和N型热电偶的测量误.差均达到系统精度0.1级的要求。铂电阻PT100的测量误差主要是因为传感器自身非线性误差、双匹配电流源误差和ADS1148测量误差造成的,而N型热电偶的测量误差主要来源于DS18B20自由端测量误差、传感器非线性误差和ADS1148测量误差。本系统的上位机使用C#设计。上位机界面如图8所示,用户通过上位机设定区灵活选择每一通道,确定后在显示区就可以显示出当前通道的温度值,误差保持在±0.1℃以内,满足精度要求。

5结论
  本文介绍了基于ADS1148芯片的N型热电偶的多通道测温系统的软硬件设计及实现,上下位机使用Csp8266WiFi模块通信,使用户监控数据可以不受距离限制。并采用多种方式提高系统精度,包括查表、滤波以及使用最小二乘法对传感器进行标定,最终系统精度均控制在士0.1℃以内。而且系统装置体积小便于携带,后期可以增设通道,并添加不同的热电偶,也可以增加4~20mA电流[16温湿度传感器用以测湿度、压力等丰富系统功能,以便更好地适应工业生产要求。
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