窑炉用热电阻、热电偶智能温度测量板应用

[摘要]:温度是影响陶瓷烧成质量的关键因素，介绍了一种适用于测量各种窑炉不同部位温度的智能温度测量板，由于该系统在不同的测温部位分别采用了热电阻和热电偶，克服了一般测温系统在连接不同的测温传感器需要更换不同的测温模板、成本高、使用不方便等不足，并具有适用性强、测温精度高等优点。
引言
　　温度是影响陶瓷烧成质量的关键因素，热电阻、热电偶是目前广泛使用的两种温度传感器，热电阻主要用.于低温段的测温，它是利用金属的电阻随着温度的升高而增大的原理工作的，通过检测金属电阻的变化实现温.度的检测。根据材料可分为铂电阻和铜电阻。热电偶主要用于高温段的测温，它是利用热电(压)效应原理工作的器件，把两种不同的金属接合在一起，在结合点上有一个温差就会产生温差电势E，此称为塞贝克效应(温差电动势效应)，温差电动势的大小仅由金属A和B的种类和温差的大小来决定1。根据构成热电偶材料的不同，按ITS--90国际温标的规定，热电偶有B、s、R、K、N、E、J、T八种。它直接输出电压信号(温差电势)信号,不需要驱动电源。
　　在设计智能温度测量板时，由于既要用热电阻(PT100、CU50)作为温度传感器，又要用热电偶(上述8种热电偶)测温，只要通过相应的软件设置，就能适应上述各种不同的传感器，无需用户更换测温板，使设计的智能温度测量板的适用性大大增强。
1温度智能测温板的硬件设计
 
1.1温度测量仪系统构成
　　图1为通用温度测量仪的硬件框图,输入为8个通道，通过继电器控制选择前置处理电路，8通道测量共用信号调理电路，通道切换采用电子开关:为适应输入信号变化范围和提高测量精度，信号放大电路采用可变增益运放，A/D转换采用14位双积分型器件，输入输出采用隔离措施提高抗干扰性;微控制器选用89C52，它具有独立的信号采集及数据处理能力，通过异步串行口接受采样命令和发送采样值[2]。
1.2前置放大电路的设计.
　　热电阻普遍是三线制接法，由于热电阻本身的电阻较小，如PT100在0℃是的电阻为100Ω，而且它随温度的变化量较小，每变化1℃电阻变化0.38Ω左右，它们在使用时，由于热电阻安装在现场，与测控仪表有一定的距离，只要有0.38Ω的引线电阻，就将使测温误差至少达到1℃，在精度高测量时引线电阻的影响不能忽略，因此热电阻常用不平衡电桥接法，可有效的克服引线电阻r的影响，桥路供电采用精度高恒压源[8],如图2所示。在此种电路接法应用下，温度误差为2℃左右，要实现误差为±0.3℃，必须要有线性校正电路，考虑到用硬件校正线路复杂，效果差，故采用软件校正，采用分段线性拟和算法。
 
　　热电偶输出信号已是电势，无须加转换电路，可直接接后边的滤波、放大电路。要设计成热电阻、热电偶混用，主要区别在于前置转换电路的不同，在设计中是通过使用2只双组12V继电器解决这个问题，第一只继电器用于3输入端子与后续处理电路的隔离，与标准信号测量板共用此3端，第二只继电器用于热电阻桥路的接入或切换到热电偶的处理电路，利用继电器的2个常开端接入热电阻桥路，热电阻公共端直接入桥路地，2个常闭端直接接入热电偶处理电路，接线端子1、2接两组触点公共端，而对于每--.路输入信号，外接端子只有3个，以第一路为例，当接热电阻时，接线端子1、2接热电阻的两端，3端接公共端，当接热电偶时，接线端子1、2端接热电偶的两端，3端不接，其它7路类同。滤波、放大电路采用两级RC滤波电路，第1级R=100Ω,C=0.1uf第2级R=2KΩ,C=0.1uf，整个滤波电路的截止频率约是800Hz，后接3只稳压二极管，反向稳定电压是4.3V,具有输入保护作用，误加几十伏电压不会造成温度板的损坏，后接4只CD4052，用于8路热电阻、热电偶输入通道的切换。
　　放大电路选用BURR-BROWN公司的仪用放大器INA118，用它将输入差动信号变为单端信号，作为预放大电路，放大倍数为取Rg=10KΩ，K=6,.由于桥路输出电压和各种热电偶的输出电势信号幅度相差较大，用单一放大倍数不能满足要求，必须采用可变增益放大电路，为此，采用一块精度高、低漂移运放0P-07和一块多路转换开关CD4051以及若干1%精度金属膜电阻和精密多圈电位器组成第二级可变增益放大电路，放大信号上限到±2V，可完全满足要求[5]。
为实现精度高测量，必须消除来自放大电路、A/D转换电路等系统的时漂和温漂，采用数字校零技术(即先采集校零通道数字量，再采集8通道输入数字量，CPU减去校零通道数字量作为正式测量值)从根本上消除了放大器等漂移产生的误差。
　　热电偶必须采用冷端温度补偿，本设计采用各种热电偶通用冷端补偿电路，即先测出冷端环境温度TO，再结合具体测温热电偶的型号查出冷端电势E(T0,0)，然后加.上高温端测量电势E(T，T0)，得到E(T,0)，通过查表得到温度T,所以各种热电偶均能适应。
1.3A/D转换接口电路设计
　　模数转换芯片采用美国INTERSIL公司的A/D转换器ICL7135，它具有4位半精度(相当于14位二进制数)，可以给出士20000个数，因此所有型号的传感器都可以在设计温度范围达到0.1℃以内的分辨率，它采用双积分式工作方式，能有效的克服输入脉冲干扰，非常适用于工控现场，输出数字稳定，精度高;缺点是转换速度慢，它完成1次转换需40002个时钟周期，在500KHZ时钟频率下，需80亳秒，但由于测量的是温度信号，它本身是一慢速缓变信号，变化速率在1的2秒，所以用ICL7135作A/D转换器较合理;另外，工控现场50HZ串模干扰比较严重，影响转换精度，只要外部输入时钟频率是50HZ的整数倍，它可克服50HZ串模干扰[6。
　　在温度板.上，选用4MHZ方型集成晶振作为时钟发生器，不须外接振荡电容，只须接+5V电源即可，输出频率稳定，频率漂移小，通过接4位二进制计数器74HC93实现分频后送ICL7135时钟端，分频系数是1/8，A/D转换的CLK时钟频率定为500KHZ，这样A/D转换一-次需80毫秒，即1秒转换12次，采样速率合适。ICL7135的A/D转换结果是动态分时轮流输出的BCD码，不是总线输出型结构，不能和单片机89C52数据总线直接相连，所以和89C52并行口P1相连，占用P1.0-P1.3,89C52以中断方式读取A/D转换结果，由于A/D转换结果是5个4位动态轮流输出BCD码B8B4B2B1，并相应输出BCD码数据的位选通信号，为节省占用P1口数量,使用74HC157-2选1数据选择器[n。精度高电压基准源的产生采用可调式电压基准W431，它的基准输出电压为2.5V，且可随外接电阻的不同输出电压可调，最高输出电压30V,基准电压温漂极小，动态输出电阻很低。
精度高电压基准源的产生采用可调式电压基准W431，它的基准输出电压为2.5V，且可随外接电阻的不.同输出电压可调，最高输出电压30V,基准电压温漂极小，动态输出电阻很低。
1.489C52单片机的应用扩展设计
　　单片机系统部分采用ATMEL89C52作为CPU，外扩16KEPROM。为实现对继电器的控制，外接2个74HC377数据锁存器，通过P2.0、P2.1的线选锁存控制断开或闭合，采用2块8路驱动器ULN2803驱动16只+12V继电器工作。为实现对热电阻、热电偶通道的选择及运放0P-07增益的控制，外接2个74HC377数据锁存器，P2.2、P2.3作为片选，并通过3块TLP421-4光耦控制通道切换及增益切换。温度板测得的温度数据通过串行口RXD、TXD和主板.上的P51XAG3的串行口1的TXD1、RXD1进行串行通讯传输，每一路温度数据为2字节16进制数，一次传送16字节，是在8通道测量后才允许通过串行中断传送，保证温度数据的同时更新，89C52处于从机工作方式[8]。
　　为加强系统抗干扰措施，温度板模拟电路和单片机数字电路之间采用隔离，电源隔离采用北京众人牌隔离电源5D5一100，信号的隔离采用普通4光耦器件TLP421-4四块，普通单光耦器件TLP421-1一块，在板上每块易受干扰的集成块电源间接入0.1uf的滤波电容也是抗干扰的措施。
 
2试验的测量结果
　　对陶瓷烧成温度区域进行划分，在300℃以下接入PT100热电阻，在300℃以上接入S型热电偶。将此种新型测温仪的测量结果与现有的陶瓷窑炉测量数据进行比较，结果如图3所示，在300℃以下最大误差为0.22℃,大部分温度测量误差在0.20℃以内;300℃以上测量误差在3.5℃左右,测量精度高于一般的陶瓷窑炉温度测量仪，尤其在低温段特别明显。
3结语
　　设计的智能温度测量板能适用于烧结陶瓷的各种窑炉的温度测量，由于该系统在测温的不同部位分别采用了热电阻和热电偶，克服了--般测温系统在连接不同的测温部位的传感器时，需要更换不同的测温模板，成本高,使用不方便的不足，所以具有一定的适用性和推广价值;而且采用热电阻测温时测量误差只有±0.2°C;采用热电偶测温时，S型在0~1600C最高测量误差为0.3%FS,K型在0~1200℃最高测量误差为0.25FS，实现了精度高测量。这种智能温度测量板在热工测量中具有广阔的应用前景。