基于K型熱電偶的測溫裝置設計*

王安敏 孔令布 孟海彥

（青島科技大學機電學院 青島 266061）

1 引言

K型熱電偶是工程上廣泛使用的溫度傳感器。其材料主要由鎳鉻—鎳硅合金構成，因為其測量溫度范圍廣，穩(wěn)定性好，鎳鉻—鎳硅合金抗高溫氧化能力強的能力強，復現(xiàn)性好所以K型熱電偶被廣泛的使用在測量高溫的場合。但是熱電偶測量溫度時輸出的熱電動勢很微弱不能被微控制器直接處理，必須經(jīng)過濾波，信號放大以后最終由微控制器進行處理以及熱電偶的熱電動勢與被測溫度并不呈現(xiàn)很好的線性關系?；诖?，現(xiàn)設計一種基于K型熱電偶采用高精度ADC1148轉換芯片，LM35溫度傳感器芯片以STM32為主控芯片的測溫裝置。

2 電路工作框圖

該測溫裝置工作示意圖如圖1所示，由熱電偶的工作原理可知K型熱電偶實際使用過程中測得溫度是工作端與冷端所處環(huán)境溫度之間的差值。由于熱電偶使用時處于不同的環(huán)境造成冷端溫度不能保持恒定溫度影響溫度測量的準確性。由于LM35溫度傳感器集成芯片的輸出電壓與溫度呈現(xiàn)很好的線性度，所以采用LM35集成芯片對熱電偶冷端進行溫度補償滿足不同的工業(yè)現(xiàn)場對測量精度的要求。STM32微控制器收到讀取溫度的指令后，對四路溫度傳感器信號進行數(shù)據(jù)采集，讀取冷端補償溫度，并將采集來的數(shù)據(jù)處理后送到LCD12864進行溫度顯示。

圖1 測溫裝置工作示意圖

3 K型熱電偶測溫電路原理

3.1 熱電偶測溫原理

由材質不同的兩種導體，構成閉合回路就形成了熱電偶。當閉合回路的兩個接觸點處于不同的溫度場中時就會在回路中產(chǎn)生微弱的電流和熱電動勢。熱電偶工作時熱端處于被測環(huán)境中，冷端為自由端處于恒溫環(huán)境中。其恒溫大小由式（1）確定

公式中E（t0，0）為熱電偶非工作端溫度為0℃時熱電偶輸出的熱電動勢；E（t，0）為K型熱電偶經(jīng)過LM35集成溫度傳感器芯片補償后輸出的熱電動勢；t為熱電偶實際測得溫度，t0為熱電偶冷端溫度，E（t，t0）為熱電偶實際測出的熱電偶輸出的熱電動勢；t0為相對于0℃時熱電動勢［1］。

3.2 測溫模塊電路設計

K型熱電偶與ADS1148的電路連接如圖2 ADS1148芯片內部集成數(shù)字濾波器，放大倍數(shù)最高可達128倍的可編程增益放大器PGA，在每路的信號采集端設置了濾波器衰減被測信號中存在的干擾信號。差分輸入可以抑制熱電偶溫度測量時產(chǎn)生的共模信號的干擾，提高測溫的準確性。該裝置充分利用ADS1148內部的集成資源，使用片上參考電壓大大簡化了測量裝置的復雜性。

3.3 熱電偶冷端補償電路

熱電偶在工業(yè)現(xiàn)場使用時，熱端置于被測環(huán)境中，冷端暴露作業(yè)環(huán)境中。所以可以認為冷端溫度為作業(yè)環(huán)境的溫度。而作業(yè)環(huán)境溫度是隨四季氣候變化而變化的，造成冷端溫度不恒定。由熱電偶測溫原理可知，為了提高溫度測量的精確性所以必須對冷端進行溫度補償。

圖2 測溫模塊電路

常用的冷端溫度補償?shù)姆椒ㄓ腥N。

1）補償導線法

所謂補償導線法就是將化學成分不一樣的兩根導線在一定的溫度范圍內與配接的熱電偶具有一致的熱電性。為了使熱電偶測量溫度時冷端保持恒定的溫度可以把導線做的很長，就相當于熱電極延長使冷端遠離被測溫度對象并處在一個恒溫的環(huán)境中。這樣熱電偶測量的溫度值與溫差熱電勢的關系就是單一函數(shù)。此方法價格相對便宜，但是測量精度不高存在較大誤差且使用極不方便［2］。

2）電橋補償法

如圖3所示為了消除冷端溫度不能保持恒定溫度的影響，采用將不平衡電橋串接于熱電偶測溫電路中，當冷端環(huán)境溫度發(fā)生變化時冷端與溫敏電阻同時受到溫度變化的影響，此時平衡電橋輸出的電勢可以抵消由于冷端環(huán)境溫度變化引起的不良影響，動態(tài)完成對熱電偶的冷端補償。

圖3 電橋補償電路

3）集成溫度傳感器法

為了提高該裝置的測量精度，需要進行冷端補償。該裝置采用LM35集成溫度傳感器芯片進行冷端補償。LM35溫度傳感器芯片的輸出電壓與環(huán)境溫度呈線性度，在-50℃～150℃范圍內溫度每升高1℃則LM35相應的輸出電壓增加10mV。K型熱電偶溫度每升高1℃相應的電壓增加40μV，此時熱電偶與LM35的輸出電壓隨溫度變化并不一致。為了使冷端U1的熱電勢與熱電偶隨溫度變化一致必須對LM35的輸出電壓用電阻R2進行分壓，調節(jié)電阻R1使冷端的電勢E=Vout∕244。經(jīng)過電阻R2對LM35的輸出電壓進行分壓處理后，冷端的電勢變化與熱電偶隨溫度的變化一致即完成溫度補償。與傳統(tǒng)外接導線法相比此方法可操作性好易于實現(xiàn)可靠性強，測量精度高［3］。

圖4 集成溫度傳感器補償電路

4 軟件設計

4.1 誤差分析及修正

因為K型熱電偶的輸出熱電動勢與被測溫度存呈現(xiàn)非線性關系，而且熱電偶自身材料的不均勻性，以及熱電偶的不穩(wěn)定性也會影響溫度測量精度，造成測量溫度與實際溫度存在較大誤差。為了提高該裝置測量溫度的準確性，使用Matlab軟件對測得實際溫度數(shù)據(jù)進行擬合和校正。使測量溫度誤差得到極大的改善［1］。在測量溫度-50℃～500℃內以30℃等間距間隔劃分為-50℃～-20℃、-20℃～10℃。在測量溫度范圍10℃～500℃內劃分為10℃～300℃、300℃～500℃進行分段線性擬合得到K型熱電偶的輸出熱電動勢與溫度的關系。

Tt為冷端溫度；V為相應的電壓值［4］。

4.2 測溫軟件主流程圖

測溫系統(tǒng)主流程圖如圖5所示對測量數(shù)據(jù)進行線性擬合，提高測量裝置的精度。

5 測溫效果與分析

在完成硬軟件設計的基礎上，為了檢測該測溫裝置在實際使用時測量的誤差以及該裝置在實際應用中測量溫度的穩(wěn)定性。所以用該測溫裝置與高精密的測溫裝置在相同環(huán)境，相同溫度下進行溫度測量以驗證在實際應用的測溫效果。步驟如下：

圖5 主流程圖

1）首先在該測溫裝置允許測量溫度范圍內-50℃～500℃設置了12個溫度測量點。

2）把精密測溫裝置和放在環(huán)境相同的封閉恒溫槽容器內，通過串口把測得的溫度值顯示在LCD12864液晶顯示屏上。

3）每十分鐘觀測一次溫度值，并將觀測的溫度數(shù)據(jù)記錄下來。各個溫度點的測量值，數(shù)據(jù)記錄見如下表1。通過對比高精密測溫裝置與該測溫裝置實際測得溫度數(shù)據(jù)表明設計的該測溫裝置測溫穩(wěn)定性能好，測溫精度達到工業(yè)現(xiàn)場使用的要求。同時利用軟件補償?shù)姆椒ǎ梢詼p小每段的線性化誤差，在整個的測溫范圍內具有±0.1℃測量誤差，保證了測溫的準確性。

表1 實際測量數(shù)據(jù)