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(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中存在由溫度引起的安全隱患問(wèn)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(guò)監測和控制生產(chǎn)過(guò)程中熔體、流體及顆粒體的溫度，保證安全生產(chǎn),并選擇溫度,使產(chǎn)品的質(zhì)量達到產(chǎn)量最大。校準與標定實(shí)驗表明:該測試儀具有體積小,精度高,測試時(shí)間長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。
　　現代工業(yè)隨著(zhù)電子技術(shù)和計算機技術(shù)的興起再度高速發(fā)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(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)中往往需要對溫度進(jìn)行監測與控制，熱電偶溫度傳感器是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。
1熱電偶傳感器;
　　工業(yè)生產(chǎn)加工中常見(jiàn)的溫度變化為中低溫慢變過(guò)程,特點(diǎn)是需要監控多點(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，可直接與被測對象接觸,不受中間介質(zhì)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(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)設定設備參數和狀態(tài)控制工作溫度，使生產(chǎn)過(guò)程安全無(wú)隱患，質(zhì)量,產(chǎn)量最大化。
　　熱電偶的測溫原理基于熱電效應,熱電動(dòng)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(dòng)勢的大小與兩種導體材料的性質(zhì)及接點(diǎn)溫度有關(guān)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(jiǎn)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(diǎn)基準與預校準放大器的結合特點(diǎn),使其能直接從熱電偶信號產(chǎn)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(shí)現環(huán)境溫度的自動(dòng)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(jìn)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(shí)現多測點(diǎn)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(chǎn)過(guò)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(shí)間滿(mǎn)足。測試儀整體實(shí)物如圖2所示。
 
3校準與標定實(shí)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(guò)0.5℃,但在沸水下測試溫度偏差較大,為此,對整套測試儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)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(diǎn),緊閉箱門(mén)，如圖3所示。
 
　　對測試系統上電觸發(fā),調節干燥箱溫度,測得實(shí)驗數據如表1。
 
　　測試系統輸出數字量與被測溫度有如下關(guān)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(jìn)行線(xiàn)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(xiàn)性關(guān)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(guò)0.5℃,在60℃~150℃的溫度段內,偏差值偶爾會(huì )超過(guò)1℃。將系統校準參數寫(xiě)人上位機讀數軟件,完成系統的標定、非線(xiàn)性的修正。因此，該測試儀可以完成多測點(diǎn)生產(chǎn)過(guò)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(jìn)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(diǎn)多、測試時(shí)間長(cháng)的優(yōu)點(diǎn),可應用于工業(yè)生產(chǎn)中的橡膠、塑料等流體及熔體加工溫度監測,對于安全生產(chǎn)控制產(chǎn)品質(zhì)量有著(zhù)重要意義。