基于K型熱電偶的多通道溫度測(cè)試儀

摘要:針對(duì)橡膠、塑料、藥品等產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中存在由溫度引起的安全隱患問(wèn)題,提出了基于K型熱電偶的多通道溫度測(cè)試法。測(cè)試系統(tǒng)以K型熱電偶為溫度傳感器,嵌入式硬件CPLD為核心的測(cè)試儀與計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合,通過(guò)監(jiān)測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程中熔體、流體及顆粒體的溫度，保證安全生產(chǎn),并選擇溫度,使產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到產(chǎn)量最大。校準(zhǔn)與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)表明:該測(cè)試儀具有體積小,精度高,測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
　　現(xiàn)代工業(yè)隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起再度高速發(fā)展,而基于嵌入式硬件和計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)已成為工業(yè)控制的主流。溫度作為一個(gè)基本的物理量，自然界中的一一切過(guò)程無(wú)不與溫度變化密切相關(guān),在工業(yè)生產(chǎn)中往往需要對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，熱電偶溫度傳感器是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。
1熱電偶傳感器;
　　工業(yè)生產(chǎn)加工中常見的溫度變化為中低溫慢變過(guò)程,特點(diǎn)是需要監(jiān)控多點(diǎn)、多時(shí)段。熱電偶傳感器具有如下特點(diǎn):
1)無(wú)需外接電源供電，可直接與被測(cè)對(duì)象接觸,不受中間介質(zhì)影響,傳輸距離遠(yuǎn);
2)測(cè)量精度高(±0.5℃),測(cè)量范圍廣(-200℃~1300℃);
3)構(gòu)造簡(jiǎn)單,使用方便,價(jià)格便宜。
　　工業(yè)生產(chǎn)中的流體、熔體及粉末等加工溫度為60℃~130℃不等,通過(guò)設(shè)定設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)控制工作溫度，使生產(chǎn)過(guò)程安全無(wú)隱患，質(zhì)量,產(chǎn)量最大化。
　　熱電偶的測(cè)溫原理基于熱電效應(yīng),熱電動(dòng)勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)所組成,熱電動(dòng)勢(shì)的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及接點(diǎn)溫度有關(guān)1.4]。
　　依照體積小可靠性高的原則，該系統(tǒng)選用集成溫度傳感器補(bǔ)償法。AD8497熱電偶放大器為熱電偶溫度測(cè)量提供了一種簡(jiǎn)單的低成本解決方案。AD8497為集成熱電偶冷結(jié)補(bǔ)償器的儀表放大器。冰點(diǎn)基準(zhǔn)與預(yù)校準(zhǔn)放大器的結(jié)合特點(diǎn),使其能直接從熱電偶信號(hào)產(chǎn)生高電平(5mV/C)輸出。寬的電源電壓范圍，能夠用單端電壓供電，可以覆蓋近1000℃的熱電偶溫度范圍。利用AD8497組成了冷端補(bǔ)償電路,補(bǔ)償電路可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的自動(dòng)補(bǔ)償。
　　為保證系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)更正確,系統(tǒng)在使用前需要對(duì)使用的熱電偶及測(cè)試電路進(jìn)行全測(cè)試范圍校準(zhǔn)、標(biāo)定。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　
　　測(cè)試系統(tǒng)由多路熱電偶傳感器、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源管理模塊與計(jì)算機(jī)連接的接口電路、電池、機(jī)械殼體組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖1。
 
　　熱電偶傳感器:選用WRNF-301型鎳鉻鎳硅熱電偶,測(cè)量范圍-50℃~200℃,精度±0.4℃。
　　電池及電源管理:電源模塊可以完成電池對(duì)各模塊的上下電及外接充電操作。
　　模擬信號(hào)調(diào)理:該模塊主要完成熱電偶的冷結(jié)補(bǔ)償和放大,將模擬信號(hào)穩(wěn)定至0-2.5V。
　　系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ):核心控制為Xilinx-XCR3128的CPLD,控制模擬信號(hào)數(shù)字化和FLASH存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或者顯示。
　　機(jī)械殼體:包括了操作面板和外部金屬保護(hù)殼體,面板接口可執(zhí)行測(cè)試和通信操作。
　　試驗(yàn)儀由金屬外殼保護(hù),熱電偶傳感器可以實(shí)現(xiàn)多測(cè)點(diǎn)接觸式溫度測(cè)量，系統(tǒng)供電為內(nèi)部聚合物鋰電池電源,測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于系統(tǒng)內(nèi)存,該試驗(yàn)儀可應(yīng)用于各種復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的溫度監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)正常工作電流為24mA,內(nèi)部供電為兩塊240mAh的供電，可穩(wěn)定測(cè)試10h。采樣頻率為400Hz,內(nèi)存空間為125GB的FLASH芯片,存儲(chǔ)時(shí)間滿足。測(cè)試儀整體實(shí)物如圖2所示。
 
3校準(zhǔn)與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)
　　對(duì)整套硬件系統(tǒng)完成調(diào)試后,室溫下四路傳感器測(cè)得室溫與標(biāo)準(zhǔn)溫度相差均不超過(guò)0.5℃,但在沸水下測(cè)試溫度偏差較大,為此,對(duì)整套測(cè)試儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。選用高溫干燥箱作為熱源,0~200℃的精度高溫度計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)溫度,將熱電偶傳感器敏感接頭與溫度計(jì)測(cè)試端固定于干燥箱體內(nèi)同一點(diǎn),緊閉箱門，如圖3所示。
 
　　對(duì)測(cè)試系統(tǒng)上電觸發(fā),調(diào)節(jié)干燥箱溫度,測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。
 
　　測(cè)試系統(tǒng)輸出數(shù)字量與被測(cè)溫度有如下關(guān)系:
B=(Tx5x10^-3+0.833)x1.567x4096/2.5.(1)
　　分析數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試儀四路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,如圖4所示。
　　由校準(zhǔn)結(jié)果可知,測(cè)試系統(tǒng)輸出與被測(cè)溫度成穩(wěn)定的線性關(guān)系(R²>0.995),測(cè)試系統(tǒng)在60℃以下數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)溫度的偏差不超過(guò)0.5℃,在60℃~150℃的溫度段內(nèi),偏差值偶爾會(huì)超過(guò)1℃。將系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)寫人上位機(jī)讀數(shù)軟件,完成系統(tǒng)的標(biāo)定、非線性的修正。因此，該測(cè)試儀可以完成多測(cè)點(diǎn)生產(chǎn)過(guò)程的溫度監(jiān)測(cè)操作。
 
4總結(jié)
　　基于K型熱電偶的多通道溫度測(cè)試儀的設(shè)計(jì),該系統(tǒng)在對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償后,將被測(cè)溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至系統(tǒng)FLASH內(nèi)。該系統(tǒng)具有體積小、精度高、測(cè)點(diǎn)多、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的橡膠、塑料等流體及熔體加工溫度監(jiān)測(cè),對(duì)于安全生產(chǎn)控制產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義。