多路熱電偶測溫電路設計

崔海佟 陳 煒 楊新圓 唐亞曼

（北京長城計量測試技術研究所,北京 100080）

熱電偶具有響應速度快、反應靈敏、操作簡單等優(yōu)點，被廣泛應用于熱加工過程中的溫度測試與監(jiān)測[1-2]。在航天制造、汽車制造、涂料行業(yè)、通信行業(yè)等工業(yè)生產中,基于熱電偶測溫的熱加工溫度監(jiān)測設備是必不可少的[3-6]。隨著熱工測量專業(yè)的發(fā)展，熱加工領域對溫度測量的精度、及時性、穩(wěn)定性提出了更高的要求[7-8]。在產品熱加工過程中，熱處理的溫度對產品熱處理結果至關重要。工業(yè)生產中，由于產品體積較大，普通的單點測溫不能對整個產品熱加工過程進行監(jiān)測。

為了解決產品熱加工過程中溫度測量精度以及多點測溫的問題，以S型熱電偶為溫度傳感器，設計高精度多路熱電偶測溫電路，可實現(xiàn)溫度的多點高精度測溫。同時，為實現(xiàn)產品熱加工過程的實時監(jiān)測，設計數(shù)據實時無線傳輸功能。在產品熱加工過程中，測量結果可通過無線傳輸數(shù)據被實時傳輸給用戶。

1 電路總體設計方案

多路熱電偶測溫電路主要包括三部分，分別為數(shù)據采集電路、信號調理與轉換電路、數(shù)據存儲與傳輸電路。數(shù)據采集電路主要包括冷端溫度補償電路與熱電偶測溫濾波電路；信號調理與轉換電路主要包括熱電偶信號調理與轉換電路以及冷端補償鉑電阻信號調理與轉換電路。

2 硬件設計

2.1 數(shù)據采集電路設計

S型熱電偶數(shù)據采集電路是多路熱電偶測溫電路設計的基礎，其核心是測量冷端溫度和消除射頻干擾。

2.1.1 冷端溫度補償電路設計

為了保證熱電動勢與待測溫度呈線性關系，就應保證冷端補償溫度測量的穩(wěn)定性與準確性。目前，熱電偶的冷端溫度補償方法按測量設備劃分可分為外部補償與內部補償。外部補償是指在設備外部通過溫度變送器、補償鉑電阻、固定溫度補償?shù)确椒ǐ@取熱電偶冷端溫度。內部補償是指在設備內部通過傳感器芯片、電橋、熱敏電阻等方式獲取熱電偶的冷端溫度。

外部補償?shù)膬?yōu)點：補償精度取決于外部傳感器與外部環(huán)境，只要外部環(huán)境穩(wěn)定并且傳感器精度足夠高，就可以實現(xiàn)高精度冷端溫度補償；外部補償?shù)膬?yōu)點缺點：需要在設備上設計與外部傳感器連接的測量通道。本文中設計的多路熱電偶測溫電路需要在隔熱裝置的保護下與產品一起進入熱處理爐，外部補償無法滿足要求。

內部補償?shù)膬?yōu)點：可以提升補償端的干擾抑制能力，高度集成無須外界傳感器；內部補償?shù)娜秉c：傳感器芯片與熱敏電阻的補償精度較低。利用電橋進行冷端補償具有局限性，電橋只能在相應型號的熱電偶中及規(guī)定的溫度范圍內使用，本文中設計的多路熱電偶測溫電路最高工作溫度為80 ℃,很難滿足電橋補償?shù)氖褂梅秶?/p>

因此，為實現(xiàn)高精度寬范圍的內部冷端補償，選用一種A級薄膜鉑電阻PT100作為冷端補償溫度傳感器，利用運算放大器LMP7704搭建恒流源電路與放大電路。

2.1.2 濾波電路設計

熱電偶在工作時由于引線長度較長容易受到外界環(huán)境中電磁干擾的影響，僅僅依靠多路測溫電路中放大器的共模抑制比并不能保證在惡劣的工業(yè)使用環(huán)境中達到穩(wěn)定的噪聲抑制效果。要想避免多余噪聲信號的傳播，在熱電偶測溫放大器輸入端加入低通濾波器，并對低通濾波器中各組件進行正確匹配和調節(jié)是至關重要。

熱電偶傳感器通過一個低通濾波器網絡差動連接至一個高阻抗儀表放大器，而低通濾波器網絡由RSX和CCM組成。理想情況下，如果每條輸入支線的CCM都完全匹配，則兩個輸入端共有的噪聲量將在到達INA輸入端以前會相應降低。但是，目前市場中的電容都有5%～10%的典型容差，如果每條支線的CCM反向不匹配，總動容差便會高達20%。這種輸入不匹配形成截止頻率誤差，使共模噪聲差動進入放大器輸入，之后被增益輸出，成為誤差電壓。因此，為了避免差動噪聲進入放大器輸入端，需要在每一條熱電偶溫度信號采集通道處的濾波電路基礎上加上一個差動電容。

2.2 信號調理與轉換電路設計

信號調理與轉換電路能將冷端溫度補償電路以及S型熱電偶溫度采集電路采集的信號進行調理與數(shù)字轉換，是后續(xù)主控模塊處理的基礎，其核心是熱電偶信號調理與轉換電路以及冷端補償信號調理與轉換電路。

2.2.1 熱電偶信號調理與轉換電路設計

利用S型熱電偶進行測溫時，輸出的熱電勢較小。在0～1600℃的測溫范圍內，輸出的熱電勢為0～16.771mV。選用的信號調理與轉換芯片為ADS1232，參考電壓為2.5 V，因此在進行模數(shù)轉換之前需要對熱電偶采集的熱電勢信號進行放大。熱電偶測溫通道共有16路通道，當利用ADS1232進行信號調理與模數(shù)轉換時，為了保證信號處理的一致性，需要保證所有測溫通道都是經過同一信號處理電路進行放大及模數(shù)轉換的，因此需要設計通道選擇電路，通過4片復用器HCF4052與排阻搭建。

2.2.2 冷端補償信號調理與轉換電路設計

冷端補償信號在冷端溫度補償電路中已經通過LMP7704進行了放大處理，因此在冷端信號調理與轉換電路部分只需要對放大后的補償信號進行模數(shù)轉換。模數(shù)轉換芯片選擇24位芯片LTC2400。LTC2400內部集成了高精度振蕩器，F(xiàn)O引腳接VCC時使用內部振蕩器，可以對輸入信號中低頻干擾以及諧波進行抑制。

2.3 數(shù)據存儲與傳輸電路設計

一般使用EEPROM或Flash存儲器來完成對數(shù)據進行非易失性存儲。EEPROM不需要擦除時間，而Flash存儲器雖然有較長的擦除時間，但讀寫速度快。多路熱電偶測溫電路需要存儲的數(shù)據量較大，當需要對大量數(shù)據進行非易失性存儲時，F(xiàn)lash存儲芯片相對有很高的性價比。因此存儲模塊選擇16位Flash存儲器芯片SST39VF1601。

選用FT232RL對USB傳輸模塊進行設計。FT232RL為接口轉換芯片，可以實現(xiàn)USB到串行UART接口的轉換。WiFi模塊選擇WG219,WG219是一款基于ESP8266芯片的低功耗小尺寸UART-WiFi透傳模塊,可以有效地避免干擾。

3 多項式分段擬合

S型熱電偶在0～1600℃的測溫范圍內溫度信號與輸出熱電勢信號不具有嚴格的線性關系，因此需要對S型熱電偶的溫度與輸出電壓關系式進行分段線性擬合，按照0～100℃、100～200℃、200～400℃、400～600℃、600～700℃、700～900℃、900～1100℃、1100～1600℃對S型熱電偶的溫度與輸出電壓關系式進行擬合，分段擬合函數(shù)如表1所示，每個關系式的擬合度達到0.999以上。

表1 S型熱電偶分度表擬合函數(shù)

4 結語

本文主要介紹了以S型熱電偶為溫度傳感器的多路熱電偶測溫電路的設計方法。為提高測溫精度設計了薄膜鉑電阻冷端補償電路、濾波電路以及信號調理與模數(shù)轉換電路。為滿足數(shù)據存儲與傳輸要求，對存儲器以及信號傳輸模塊進行了選型設計。同時，針對S型熱電偶進行了多項式分段擬合，使擬合函數(shù)的擬合度在0.999以上。通過測試表明，多路熱電偶測溫電路在0～1600℃溫度范圍內，測溫的絕對誤差小于1 ℃，相對誤差小于0.2%。