热电偶是在科研和生产过程中进行温度测量时应用最普遍、最广泛的测温元件, 具有结构简单、使用方便、测温精度高等特点[1]。但热电偶输出电势极其微弱, 而且冷端温度误差和输出电势与被测温度的非线性容易引起较大测量误差[2]。
基于此, 本文以ARM微处理器作为装置的控制核心, ADS1148作为测温专用数据采集器, 设计了一种基于K型热电偶的高精度测温装置。该装置具有可靠性好、抗干扰能力强、测温精度高等优点。
1 装置工作原理
如图1所示, 主控MCU收到指令后完成对4路温度传感器信号的采集控制, 读取冷端补偿温度和ADC芯片的转换结果后, 把温度数据经过编码、转换、存储到寄存器中, 并通过串口将数据上传到计算机中, 在计算机中通过上位机读取各通道的温度值并显示。
图 1 装置原理框图Fig.1 Block diagram of the device 下载原图
该装置的主控MCU采用的是意法半导体公司设计的STM32F103RET6, 它是基于ARM Cortex-M3内核的32位微处理器[3]。TI公司的ADS1148是高度集成的16位精密ADC芯片, ADS1148模数转换芯片属于测温专用数据采集器[4]。主控MCU负责对整个装置进行控制, 与信号采集芯片ADS1148之间采用SPI总线进行通信, 一片ADC可以外接4路差分形式输入的模拟信号[5]。
1.1 热电偶测温原理
2种不同材质的导体A、B组成的闭合回路就构成了热电偶, 同一导体当其两端存在温度差时, 回路中就会产生电流, 此时两端之间就存在电动势, 该电动势被称为热电势[6]。热电偶两端为2个热电极, 温度较高的一端为工作端, 温度较低的一端为冷端 (自由端) , 冷端通常处于某个恒定的温度。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, t0) 为通过测量得出的热电势;EAB (t0, 0) 为冷端温度t0相对0℃时的热电势。
1.2 冷端补偿电路
冷端温度补偿选用MAX6627芯片来实现, 它和外部双极型晶体管组成温度采集器[7]。由晶体管感应外部温度变化, 并将温度信号转换为电流信号, 将电流差分信号作为输入信号, 经过ADC将温度转换为16位的数字信号, 精度为0.0625℃, 由SPI口串行输出, 可测温度范围为-50℃~+150℃[8]。应用原理图如图2所示。
图 2 MAX6627 与 MCU 电路连接图Fig.2 Circuit diagram of MAX6627 and MCU 下载原图
2 提高测温精度的方法
(1) K型热电偶与ADS1148的电路连接如图3所示, 差分输入方式可以很好地消除导线电阻对测温精度的影响, 在每路输入端设计了前置滤波器, 以衰减热电偶上的噪声, 提高测温精度。
(2) ADS1148是高度集成的16位精密ADC芯片, 本设计充分利用芯片内部资源提高热电偶测温精度。ADS1148集成的低噪声可编程增益放大器最大放大倍数可达128倍, 能够实现对微弱模拟信号的精确测量;其内部的数字滤波器能够减弱干扰信号对有用信号的影响, 提高测温精度;使用片上参考电压源, 简化了电路设计。
图 3 K 型热电偶与 ADS1148 电路连接图Fig.3 K-type thermocouple sensor and ADS1148 circuit connection 下载原图
(3) MAX6627是一种可兼容SPI串行接口的高精度数字温度传感器, 可直接输出冷端温度, 实现对热电偶冷端的温度补偿, 达到精确测温的目的。与传统的通过外接补偿导线连入测控电路的方法相比, 该方法简化了电路设计, 不需要外部调理电路, 具有精度高、稳定性好、实时性强等特点。
(4) 由于K型热电偶的热电势随温度的变化是非线性的, 加上引线电阻的非线性等因素的影响, 导致热电偶的输出值与实际温度值存在偏差。所以, 为提高测温精度, 采用Matlab软件进行分段线性化处理, 实现热电偶的非线性误差校正。
在测温范围-50℃~500℃划分为-50℃~-20℃、-20℃~10℃、10℃~300℃、300℃~500℃进行分段线性拟合, 得到温度与热电势关系模型:
T=0.02651V+1.27473+Tt, [-50 ℃~-20 ℃) (2)
T=0.02509V+0.01054+Tt, [-20 ℃~10 ℃) (3)
T=0.02394V+0.47620+Tt, [10 ℃~300 ℃) (4)
T=0.02307V+12.4219+Tt, [300℃~500℃] (5)
3 测试结果与分析
把热电偶温度传感器放置在恒温槽中, 设定温度为-50℃并进行初次测试, 恒温槽温度以每隔50℃变化, 待其温度稳定后, 即开始测试。测温实验结果及误差如表1所示。结果表明, 该测温装置的温度测量绝对误差小于±0.1℃, 达到了较高的测量精度。在需要高精度测温的场合有很好的实用价值。
表 1 热电偶测温结果及误差Tab.1 Result and error of thermocouple temperature measurement 下载原表
在-50℃~500℃温度范围内利用选取的3个固定温度的实测值和根据拟合算法测试的温度值描绘出的点, 通过这些点拟合出如图4所示的2条直线。根据不同的要求, 对测温范围所分的段越小, 拟合直线就越接近实际温度直线, 补偿后测温的精度就越高。通过软件补偿这种方法可以避免硬件调节的复杂性和保证测温装置的稳定性, 简单可靠容易实现。
图 4 测温曲线拟合结果Fig.4 Result of fitting temperature curve 下载原图
该装置的上位机使用Matlab GUI界面设计。如图5所示, 可以通过选择通道显示某一路传感器在一定时间内的温度变化曲线, 并实时显示冷端温度值、当前通道的温度值与平均温度。当把第1路传感器放置在温度为50℃的恒温槽中, 从图中可以看出, 在冷端温度为26℃时, 测得当前通道温度为50.03℃, 平均温度为50.05℃, 误差均保持在0.1℃以内。
图 5 上位机界面Fig.5 Interface of upper machine 下载原图
4 结语
本文设计了一种基于K型热电偶的高精度测温装置, 和传统的测温方法相比, 装置具有电路结构简单、测温精度高、稳定性好等优点。能够满足在热试验过程中温度测试的需求, 在高压、高冲击等恶劣环境中也有很好的应用前景。