多通道智能熱電偶測溫模塊的研制

摘要:火電廠的溫度測量具有溫度高且點數多的特點,目前普遍采用熱電偶傳感器來進行溫度測量。文中介紹了一種應用于火電廠溫度測量的多通道智能熱電偶測溫模塊的具體研制方案。該測溫模塊具有3大優點:首先可同時測量16個通道的溫度點每個通道的溫度點可配置8種不同類型的熱電偶傳感器;其次采用了帶數字濾波功能的精度高模數轉換器(AD)可以有效濾除I頻干擾;最后通過外部標準電壓源進行精度校準、冷端補償與插值計算提高了測溫精度。
0引言
　　實際工業應用中利用塞貝克效應制作的熱電偶傳感器工作原理如圖1所示"。A、B為兩種不同導體通過一定的方法使這兩種導體絞合在一起即形成熱電偶傳感器。當把熱電偶傳感器置于一定的溫度環境中2個導體的結合處會形成電壓差V再通過引線引出得到電壓差V2(引線不會改變電壓差,即Vz=V})通過測量該電壓差值查找相應類型的標準熱電偶分度表就可知道測量點的溫度值。目前熱電偶傳感器根據所使用金屬材料的不同可分為S型(鉑銠10-鉑)、B型(鉑銠30-鉑銠6)、K型(鎳鉻-鎳硅)、T型(銅-康銅)、E型(鎳鉻-康銅)J型(鐵-康銅)、R型(鉑銠13-鉑)、N型(鎳鉻硅-鎳硅鎂)等8種主要類型。每種類型熱電偶傳感器2種金屬之間的電壓差和它們結合處的溫度有固定的對應關系形成各種不同類型熱電偶傳感器標準分度表。
 
硬件設計
　　測溫模塊可以滿足16個通道的溫度測量，且各通道所配置的熱電偶傳感器類型可以是S型、B型、K型、T型、E型、J型、R型及N型共8種常用類型中的任意一種,支持冷端溫度自動補償功能‘[3-4]測溫模塊的硬件原理如圖2所示,由通道切換電路、模數轉換電路、通訊電路及CPU電路等部分組成。通道切換電路的CH1~CH16為16個熱電偶測溫通道,CH17~CH20為冷端補償通道冷端補償采用四線制熱電阻測溫傳感器實現熱電偶傳感器冷端所處環境溫度的測量。
 
1.1通道切換電路
　　測量通道切換電路采用光電耦合器器件's]實現外部信號和內部電路的隔離提高模塊的抗干擾性能。為消除通道切換帶來的誤差在模數轉換器開始對某個通道熱電偶電壓進行采樣之前應使通道開關保持一-定的時間，以確保模數轉換器采集到穩定的熱電偶電壓值。
1.2模數轉換電路
　　模數轉換電路的作用是把采集到某個通道的熱電偶電壓值轉換為數字信號。該模數轉換電路采用高位數、精度高模數轉換芯片(6]該芯片對50Hz的工頻干擾具有較好的濾波功能,在很大程度上簡化了前置濾波電路及軟件濾波程序的設計工作。
1.3通訊電路
　　通訊電路部分負責接收.上位機設置的各通道熱電偶傳感器類型及冷端補償使用的熱電阻類型配置信息同時把測量到的各通道溫度值發送給上位機進行顯示、分析和處理。通訊協議采用CAN總線協議可以把多個測溫模塊進行組網形成可以測量更多通道的智能測溫網絡。
1.4CPU電路
　　CPU是整個測溫模塊的控制中樞負責通道切換控制、模數轉換控制、測量溫度值計算、精度校準及通訊管理等功能并具備測量通道的斷線狀態檢測和測值超限報警等功能。
2軟件設計
　　測溫模塊的軟件主要是完成各通道熱電偶傳感器電壓值的測量并根據各通道熱電偶傳感器類型和冷端補償熱電阻類型查詢相應熱電偶分度表和熱電阻分度表插值計算出各通道測量點的溫度并通過CAN總線通訊發送給.上位機進行顯示、分析和處理。
測溫模塊軟件通過C語言設計實現[7-8]其工作流程如圖3所示。
 
　　測溫模塊在首次使用前應外接標準的參考電壓源進行精度校準校準完成后接收.上位機下發的CH1~CH16共16個通道熱電偶傳感器配置類型及冷端補償通道熱電阻配置類型信息保存在各通道的類型配置變量中;然后測溫模塊通過測量冷端補償熱電阻阻值的大小,查詢相應類型的熱電阻分度表計算出熱電偶傳感器冷端所處的環境溫度T;再循環對16個通道的熱電偶傳感器電壓值進行測量得到16個通道的電壓值U,~U16最后根據各通道的熱電偶傳感器類型和冷端溫度T計算出各通道熱電偶傳感器測量點的溫度值通過CAN網發送給上位機,同時對測量到的數據進行分析處理判斷該通道是否斷線或越限,以確定是否進行報警指示。
2.1冷端補償及溫度計算方法
　　國際電工委員會(IEC)制定標準熱電偶分度表是當冷端溫度為0℃時熱電偶傳感器2個不同金屬之間的電勢差與溫度的對應關系表。但在實際工程測量時很難把熱電偶傳感器的冷端放置在零度中一般是把冷端直接置于環境溫度中,由于冷端的環境溫度不是0℃如果簡單地把測量到的熱電偶電壓差按照標準熱電偶分度表進行查詢和計算則所得到的測量點溫度是不正確的。因此在工業場合使用熱電偶傳感器測溫時，需要對其冷端進行溫度補償校正熱電偶電壓差值再按照標準熱電偶分度表查找并計算才能得到測量點的準確溫度]。
2.1.1冷端補償
　　測溫模塊的冷端補償是通過熱電阻傳感器來測量熱電偶傳感器冷端所處的環境溫度。熱電阻測溫原理如圖4所示，測量方法采用四線制通過提供標準的電流信號給熱電阻傳感器再通過測量熱電阻傳感器兩端的電壓大小,可計算出熱電阻傳感器的阻值大小再查詢該類型的熱電阻分度表就可得到熱電阻傳感器所處的環境溫度也就是熱電偶傳感器冷端所處的環境溫度。
 
2.1.2溫度值計算
　　實際測量點的溫度值計算需要知道冷端補償熱電阻大小及其分度表、熱電偶傳感器電壓值及其分度表。例如冷端補償用的熱電阻為Cu50、測量點的熱電偶傳感器為K型實際測量點的溫度值計算流程如圖5所示。
 
　　第一步通過測量到冷端補償熱電阻的阻值大小,查詢Cu50熱電阻分度表計算出冷端溫度Tci第二步反查K型熱電偶分度表得到冷端補償的電壓值Urc;第三步把冷端補償電壓值Urc補償到實際測量到的K型熱電偶傳感器的電壓值Ukc-上如式(1)所示得到冷端為0℃時的熱電偶傳感器電壓值Uk;第四步通過Uk值查詢K型熱電偶分度表插值計算出實際測量點的溫度TK*
 
2.2精度校準
　　某些型號的熱電偶傳感器測量點溫度值較大變化弓|起的電壓值變化非常微小。表1所示B型熱電偶分度表300℃對應的電壓與301℃對應的電壓差值僅為0.003mV即3μV.B型熱電偶的最高量程為1820℃如果要使模塊的測量相對誤差為2%oF.S(滿量程)即測量溫度絕對誤差應控制在3.66℃之內,則測量到熱電偶傳感器電壓值的絕對誤差應該控制在0.01mV,即10μV以內才能滿足精度要求。測溫模塊雖然采用了精度較高的模數轉換器但要同時測量16個通道的熱電偶傳感器的電壓值且須把誤差控制10μV以內測量通道帶來誤差、模數轉換器的線性誤差等都會對測量精度帶來較大的影響。
 
　　為解決測溫模塊測量溫度時誤差過大的問題裝置采用外部校準的方法即每1個測溫模塊在正式使用之前在2個測量通道(如第-通道CHI和第二通道CH2)外加標準的精度高參考電壓源V和V.把模數轉換器測量到的這2個標準電壓對應的碼值X口和X保存在CPU內部的FLASH中。正式測量過程中把測量到實際熱電偶傳感器電壓值對應的碼值X通過式(2)插值計算出實際熱電偶傳感器電壓值來道過該緩法可有效減少通道誤差以及模數轉換器的線性誤差。進行校準時,應保證參考電壓源的穩定性并選擇精度高的儀表進行校準值的監視和調整。
 
3試驗結果與總結
　　由B型熱電偶分度表可知當溫度差為1C時其對應的電壓差非常小只有3μV左右因此測溫模塊應具有較高電壓測量精度。為了檢驗該測溫模塊的測量精度在其中1個通道施加一定電壓以模擬實際B型熱電偶信號測溫模塊的測量溫度與熱電偶分度表的標準溫度對比如表2所示。例如,當施加的熱電偶電壓為0.787mV其對應的標準溫度值為400℃而測溫模塊測量到的溫度為400.8℃絕對誤差僅為0.8℃相對誤差可以達到0.44%oF.s.由此可見該測溫模塊具有較高的.測量精度。
 
　　多通道智能測溫模塊具備測量點多支持多種類型的熱電偶傳感器采用外部精度校準和冷端溫度補償等方法具備較高的溫度測量精度可以滿足DCS系統對火電廠溫度測量的要求。