基于K型熱電偶的多通道溫度測(cè)試儀

李志敏，張　志，張　瑜

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；

?

基于K型熱電偶的多通道溫度測(cè)試儀

李志敏1，張志2，張瑜1

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；

2.內(nèi)蒙古航天動(dòng)力機(jī)械測(cè)試所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010076)

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)，并選擇最佳溫度，使產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)，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)。

關(guān)鍵詞：K型熱電偶；多通道；CPLD

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]。

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 ℃～1 300 ℃)；

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)控制最佳工作溫度，使生產(chǎn)過(guò)程安全無(wú)隱患，質(zhì)量最佳，產(chǎn)量最大化[2]。

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)[3，4]。

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)償器的精密儀表放大器。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(5 mV/℃)輸出。寬的電源電壓范圍，能夠用單端電壓供電，可以覆蓋近1 000 ℃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[5]。

為保證系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，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)[6]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。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

熱電偶傳感器：選用了上海方塔儀器儀表公司生產(chǎn)的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0～2.5 V。

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24 mA，內(nèi)部供電為兩塊240 mAh的供電，可穩(wěn)定測(cè)試10 h。采樣頻率為400 Hz，內(nèi)存空間為125 GB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。

圖2　測(cè)試儀實(shí)物圖

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 ℃的高精度溫度計(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。

圖3　高溫干燥箱校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)照片

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。

表1　測(cè)試儀校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

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=(T×5×10-3+0.833)×1.567×4 096/2.5 .

(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)寫入上位機(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。

圖4　測(cè)試儀校準(zhǔn)結(jié)果

4總結(jié)

本文完成了基于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。

參考文獻(xiàn)

[1]呂鵬飛，裴東興，沈大偉.基于K型熱電偶的瞬態(tài)測(cè)溫技術(shù)的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014(6):775-780.

[2]李立煌，梁杰，王文廉.基于K型熱電偶的瞬態(tài)高溫測(cè)試調(diào)理電路[J].科技信息,2013,23:136-137.

[3]張晶，裴東興，張少杰.基于CPLD的低功耗爆炸場(chǎng)溫度測(cè)試系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012(2):91-93.

[4]王代華，宋林麗，張志杰.基于鎢錸熱電偶的接觸式爆炸溫度測(cè)試方法[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2012(3):23-28.

[5]劉帆，范錦彪，杜紅棉，等.溫壓炸藥爆溫?zé)o線存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014(4):467-471.

[6]郝曉劍.測(cè)控電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2012:4-16,263-268.

Multi Channel Temperature Tester Based on K Type Thermocouple

Li Zhimin1, Zhang Zhi2, Zhang Yu1

(1.NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China;2.InnerMongoliaTestInstituteofAerospaceDynamicMachine,HuhhotInnerMongolia010076,China)

Abstract:Aiming at the safety problems caused by the temperature of rubber, plastics, pharmaceuticals and other products in industrial production, the multi-channel temperature testing method based on K type thermocouple is designed. Test system takes the K type thermocouple as temperature sensor, embedded hardware CPLD as the core of testing instrument which combined with the computer software, and through the monitoring and controlling the temperature of melt, fluid and particle in the production process to ensure the production safety, and selecting the optimum temperature to make the product in optical quality and maximum yield. Showing with the calibration experiment calibration, the tester has the advantages of small size, high accuracy and long testing time.

Key words:K type thermocouple; multi channel; CPLD

收稿日期：2016-03-31

作者簡(jiǎn)介：李志敏(1991- )，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人，碩士研究生，研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)03- 0047- 02

中圖分類號(hào)：TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A