基于K型熱電偶的多通道溫度測試儀

摘要:針對橡膠、塑料、藥品等產品在工業生產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試法。測試系統以K型熱電偶為溫度傳感器,嵌入式硬件CPLD為核心的測試儀與計算機軟件相結合,通過監測和控制生產過程中熔體、流體及顆粒體的溫度，保證安全生產,并選擇溫度,使產品的質量達到產量最大。校準與標定實驗表明:該測試儀具有體積小,精度高,測試時間長等優點。
　　現代工業隨著電子技術和計算機技術的興起再度高速發展,而基于嵌入式硬件和計算機軟件的數據采集與控制系統已成為工業控制的主流。溫度作為一個基本的物理量，自然界中的一一切過程無不與溫度變化密切相關,在工業生產中往往需要對溫度進行監測與控制，熱電偶溫度傳感器是工業上最常用的溫度檢測元件之一。
1熱電偶傳感器;
　　工業生產加工中常見的溫度變化為中低溫慢變過程,特點是需要監控多點、多時段。熱電偶傳感器具有如下特點:
1)無需外接電源供電，可直接與被測對象接觸,不受中間介質影響,傳輸距離遠;
2)測量精度高(±0.5℃),測量范圍廣(-200℃~1300℃);
3)構造簡單,使用方便,價格便宜。
　　工業生產中的流體、熔體及粉末等加工溫度為60℃~130℃不等,通過設定設備參數和狀態控制工作溫度，使生產過程安全無隱患，質量,產量最大化。
　　熱電偶的測溫原理基于熱電效應,熱電動勢是由兩種導體的接觸電勢和單一導體的溫差電勢所組成,熱電動勢的大小與兩種導體材料的性質及接點溫度有關1.4]。
　　依照體積小可靠性高的原則，該系統選用集成溫度傳感器補償法。AD8497熱電偶放大器為熱電偶溫度測量提供了一種簡單的低成本解決方案。AD8497為集成熱電偶冷結補償器的儀表放大器。冰點基準與預校準放大器的結合特點,使其能直接從熱電偶信號產生高電平(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組成了冷端補償電路,補償電路可實現環境溫度的自動補償。
　　為保證系統測試數據更正確,系統在使用前需要對使用的熱電偶及測試電路進行全測試范圍校準、標定。
2系統結構設計
　　
　　測試系統由多路熱電偶傳感器、模擬信號調理模塊、數據存儲模塊、電源管理模塊與計算機連接的接口電路、電池、機械殼體組成。結構框圖如圖1。
 
　　熱電偶傳感器:選用WRNF-301型鎳鉻鎳硅熱電偶,測量范圍-50℃~200℃,精度±0.4℃。
　　電池及電源管理:電源模塊可以完成電池對各模塊的上下電及外接充電操作。
　　模擬信號調理:該模塊主要完成熱電偶的冷結補償和放大,將模擬信號穩定至0-2.5V。
　　系統控制與數據存儲:核心控制為Xilinx-XCR3128的CPLD,控制模擬信號數字化和FLASH存儲數據或者顯示。
　　機械殼體:包括了操作面板和外部金屬保護殼體,面板接口可執行測試和通信操作。
　　試驗儀由金屬外殼保護,熱電偶傳感器可以實現多測點接觸式溫度測量，系統供電為內部聚合物鋰電池電源,測試數據存儲于系統內存,該試驗儀可應用于各種復雜生產過程的溫度監測。系統正常工作電流為24mA,內部供電為兩塊240mAh的供電，可穩定測試10h。采樣頻率為400Hz,內存空間為125GB的FLASH芯片,存儲時間滿足。測試儀整體實物如圖2所示。
 
3校準與標定實驗
　　對整套硬件系統完成調試后,室溫下四路傳感器測得室溫與標準溫度相差均不超過0.5℃,但在沸水下測試溫度偏差較大,為此,對整套測試儀進行動態校準。選用高溫干燥箱作為熱源,0~200℃的精度高溫度計提供標準溫度,將熱電偶傳感器敏感接頭與溫度計測試端固定于干燥箱體內同一點,緊閉箱門，如圖3所示。
 
　　對測試系統上電觸發,調節干燥箱溫度,測得實驗數據如表1。
 
　　測試系統輸出數字量與被測溫度有如下關系:
B=(Tx5x10^-3+0.833)x1.567x4096/2.5.(1)
　　分析數據，對測試儀四路校準數據進行線性擬合,如圖4所示。
　　由校準結果可知,測試系統輸出與被測溫度成穩定的線性關系(R²>0.995),測試系統在60℃以下數據與標準溫度的偏差不超過0.5℃,在60℃~150℃的溫度段內,偏差值偶爾會超過1℃。將系統校準參數寫人上位機讀數軟件,完成系統的標定、非線性的修正。因此，該測試儀可以完成多測點生產過程的溫度監測操作。
 
4總結
　　基于K型熱電偶的多通道溫度測試儀的設計,該系統在對熱電偶進行冷端補償后,將被測溫度數據存儲至系統FLASH內。該系統具有體積小、精度高、測點多、測試時間長的優點,可應用于工業生產中的橡膠、塑料等流體及熔體加工溫度監測,對于安全生產控制產品質量有著重要意義。