精度高多通道K型熱電偶溫度測量

摘要:根據熱氣機運行特點(diǎn)、控制參數要求和成本控制要求,設計一種基于PIC18F6722單片機的K型熱電偶溫度測量方法。單片機在0~600℃時(shí)采用查表法計算熱電偶溫度,在600~750℃時(shí)采用擬合線(xiàn)性化方法計算熱電偶信號溫度。在3000h的熱氣機可靠性試驗中,在630℃、670℃和700℃等3個(gè)熱氣機額定工況運行點(diǎn)上,該方法能將熱氣機管壁溫度控制在±2℃內,且成本較低，滿(mǎn)足設計要求。
0引言
　　熱氣機川是一種外燃機，性能優(yōu)越，在運行時(shí)要求溫度控制在±2℃范圍內，因此在實(shí)時(shí)性、精度等方面對其加熱器的測溫要求較高。K型熱電偶輸出信號具有不受其管徑、補償導線(xiàn)長(cháng)度和形狀影響的優(yōu)點(diǎn)，因此在熱氣機管壁溫度測量方面獲得應用。K型熱電偶在實(shí)際應用中須采取相應措施才能獲得較高的測量精度。徐朝勝等口]對K型熱電偶信號進(jìn)行毫伏冷端補償，通過(guò)查表計算熱電偶測量溫度，輔以折線(xiàn)修正以達到較高測量結果。查表計算和折線(xiàn)修正需要一定時(shí)間，再疊加熱氣機燃燒產(chǎn)生的溫度具有一定的時(shí)滯性，因此采用該方法不能滿(mǎn)足熱氣機管壁溫度測量實(shí)時(shí)性高的要求。王曉丹等B]基于分段擬合線(xiàn)性化處理法開(kāi)發(fā)一種熱電偶精度高測量方法，該方法計算速度快、實(shí)時(shí)性好，在0~500℃區間內測量精度優(yōu)于1℃;然而，分段多造成計算量大，需要較高的硬件成本支撐。
　　如果采用文獻[3]的方法計算熱氣機管壁額定溫度就會(huì )存在兩個(gè)問(wèn)題:一是硬件成本高;二是熱氣機管壁額定溫度正常運行在630~700℃,熱氣機運行環(huán)境溫度高(超出文獻[3]要求的-50℃的標定溫度),在計算時(shí)測量誤差較大，不能滿(mǎn)足熱氣機管壁溫度控制精度為±2℃的要求。因此，有必要設計一種滿(mǎn)足熱氣機管壁溫度測量需要的K型熱電偶信號測量電路,其測量精度、實(shí)時(shí)性、成本等均應滿(mǎn)足熱氣機工程實(shí)際需求。
1測量工作原理
　　熱氣機共有4個(gè)工作缸，須設置8根K型熱電偶進(jìn)行溫度監測，點(diǎn)火成功并達到設定拖動(dòng)溫度后開(kāi)始拖動(dòng)熱氣機啟動(dòng)，然后逐步調整至熱氣機管壁額定溫度700℃，最終以此溫度在控制精度誤差范圍內穩定運行。熱氣機拖動(dòng)溫度允許在560~600℃的寬廣范圍內，即無(wú)須準確、實(shí)時(shí)地控制溫度，符合這個(gè)溫度范圍即可。在穩定運行的溫度上則要求比較高的實(shí)時(shí)性和精度控制，否則對熱氣機的對振動(dòng)和效率指標影響較大。據此分析，提出一種適合熱氣機工作特點(diǎn)的管璧溫度測量設計:使用K型熱電偶測量熱氣機管壁溫度，點(diǎn)火成功后，使用查表方法計算當前熱氣機管壁溫度,當熱氣機管壁溫度達到580℃時(shí)拖動(dòng)熱氣機開(kāi)始運.行，運行到600℃時(shí)采用擬合線(xiàn)性化方法。該設計可保證熱電偶精度高的信號測量及較高的測量實(shí)時(shí)性，以滿(mǎn)足在熱氣機運行時(shí)管壁溫度測量的需要且能保證控制成本。
 
　　采用查表法按照下面的公式計算K型熱電偶熱電動(dòng)勢對應的溫度:
E=Et+E0(1)
　　式中:E為被測物體在參考溫度時(shí)的毫伏熱電動(dòng)勢;Et為當前采集獲得的毫伏熱電動(dòng)勢，E0為0℃時(shí)熱電偶毫伏熱電動(dòng)勢。根據獲得的毫伏熱電動(dòng)勢E，在國際K型熱電偶分度表(ITS-90)中查找當前毫伏信號所對應的溫度。
　　在600~750℃區間采用擬合線(xiàn)性化方法計算K型熱電偶熱電動(dòng)勢對應的溫度:
 
　　式中:T為采用擬合線(xiàn)性化方法處理后的溫度;E0為當前溫度對應的熱電動(dòng)勢;Ei為擬合線(xiàn)性化溫度區間的開(kāi)始熱電動(dòng)勢;Ki為擬合線(xiàn)性化溫度區間的斜率;Ti為擬合線(xiàn)性化溫度區間的開(kāi)始溫度。
　　在600~750℃區間內，擬合線(xiàn)性化溫度區間的斜率Ki=42，擬合線(xiàn)性化溫度區間的開(kāi)始溫度Ti=602，擬合線(xiàn)性化溫度區間的開(kāi)始熱電動(dòng)勢Ei=24990，將參數代人公式(2)得:
 
　　根據公式(3)可以計算600~750℃區間內的當前溫度，根據ITS-90表，當K型熱電偶在700℃時(shí)(在0℃參考溫度條件下)，其熱電動(dòng)勢為29129μV，代人公式(3)得T=700.55℃，可見(jiàn)誤差在1℃以?xún)?，滿(mǎn)足熱氣機管壁溫度控制精度，為±2℃的要求，若溫度超過(guò)750℃則報警。
2測量電路硬件設計
2.1硬件架構
　　依據上述測量方法，根據熱氣機實(shí)際需要,提出如圖2所示的多通道K型熱電偶測量電路架構。
 
　　K型熱電偶信號為毫伏電壓信號，極易受到外界干擾而產(chǎn)生測量結果波動(dòng)，測量電路的精度和穩定性差。因此，采用圖2中的信號調理電路去除干擾毛刺，其中，電阻為金屬精密1/8W電阻，R1、R2均為1000Ω電阻，R3、R4均為2MΩ電阻，電容C1為多層陶瓷電容，電容量為0.1μF。該調.理電路共有8路，與熱氣機管壁熱電偶一一對應。
　　對于多通道熱電偶測量，--般采用模擬開(kāi)關(guān)器件如CD4052等進(jìn)行片選后進(jìn)人模擬/數字(ana-log/digital,A/D)處理，在模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)通道選擇時(shí)存在一定的開(kāi)關(guān)延時(shí)，對熱氣機管壁溫度的實(shí)時(shí)性造成一-定的不利影響。另外，模擬開(kāi)關(guān)具有一定的內部阻抗，當熱電偶信號經(jīng)過(guò)時(shí)具有信號分壓效應，必將影響熱氣機管壁溫度的測量精度。因此，直接選用8通道AD轉換器，防止電路信號在采樣時(shí)出現信號延時(shí)、分壓等不利現象，有利于提高采樣精度和實(shí)時(shí)性。
2.2關(guān)鍵硬件器件選型
　　單片機選用通過(guò)半導體工藝制造的PIC18F6722回,該單片機自帶閃存、帶電可擦可編程存儲器，具有閃存編程和寫(xiě)人控制參數信息功能。在實(shí)際應用中，可將不同的熱電偶相關(guān)參數寫(xiě)人單片機的閃存中以便測試不同的擬合參數對熱電偶信號測量結果的影響程度，以滿(mǎn)足熱氣機管壁溫度實(shí)際測量需要。
　　AD轉換器選用ADS1263，其內部自帶可編程增益放大器(programmablegainamplifier，PGA)、2.5V電壓基準和內部故障監視器的32位AD轉換器，線(xiàn)性度優(yōu)于3x10^-6，溫漂小于1nV/℃,處理速度最大達38.4kHz，同時(shí)還輔助一個(gè)24位AD轉換器，可以在后臺用于軟件補償算法，所以非常適.合用于熱電偶信號采集。ADS1263共有10個(gè)輸人通道，每根K型熱電偶有2極信號，須要同時(shí)輸人。因此，需要2片ADS1263協(xié)同工作，完成8根.熱電偶的信號采集工作。
3軟件設計
　　軟件設計基于PIC18F6722單片機和ADS1263轉換器硬件資源，使用KeiluVision5[8]編譯工具進(jìn)行代碼設計。上電后，單片機PIC18F6722首先完成端口、工作模式、AD設置、定時(shí)器、濾波參數、通信接口配置等的初始化D;隨后，單片機.啟動(dòng)ADS1263，開(kāi)始使用查表法按公式(1)計算當前熱氣機管壁溫度，點(diǎn)火后繼續使用查表法測量，當熱氣機管壁溫度達到拖動(dòng)溫度時(shí)單片機控制拖動(dòng)熱氣機，當溫度達到600℃時(shí)采用擬合線(xiàn)性化方法按公式(3)計算熱氣機管壁溫度，使用熱氣機溫度算法將溫度維持在700C左右，若超出750℃則報警。ADS1263多通道熱電偶信號采集硬件圖如圖3所示。.
 
　　查表法測溫范圍為-270~600℃，對應在0℃參考條件下，其熱電動(dòng)勢范圍為-6458~24905μV。首先要獲得熱電偶環(huán)境補償溫度，將該溫度轉換為環(huán)境熱電動(dòng)勢，再獲得熱電偶當前的熱電動(dòng)勢，環(huán)境熱電動(dòng)勢與熱電偶當前熱電勢之和記為熱電偶實(shí)際熱電動(dòng)勢，根據該值查表，獲得熱氣機管壁當前實(shí)際溫度。具體過(guò)程代碼如下:
if(hotNum>=8)
｛
｛
hotNum=0;
codeValue=getCJC__Value_1();
/*將環(huán)境溫度轉換為熱電動(dòng)勢*/
codeVolatge=(CHOOSE__T>0);
/*設置ADS1263采樣通道*/
ADS1263_SetChannel(ADS1263__CH_AIN1P__AIN1M);
ADS1263__SetGain
(ADS1263__GAIN_32,
ADS1263_CH_AIN1P_AIN1M）；
｝
hotNum++；
/*獲取熱電偶熱電勢*/
hotVolatge=getHotVolatge_1（channel）；
/*求取熱電偶實(shí)際熱電動(dòng)勢*/
actVolatge=codeVolatge+hotVolatge；
/*根據熱電電勢表格獲取溫度，首先要判斷
數據是否在表格范圍內*/
if（actVolatge<（（CHOOSE_T>=0）？
（-6458）：（-6458）））
｛
temperature=-270.0；
｝
elseif（actVolatge>（24905））
｛
temperature=600；
｝
else
｛
temperature=getTCValueFromTab（actVol?
atge）；
｝
｝
　　當熱氣機管壁溫度大于600℃時(shí)，無(wú)須使用環(huán)境溫度計算需要補償的環(huán)境熱電動(dòng)勢，這部分數據由擬合線(xiàn)性化溫度區間的斜率K;=42來(lái)替代，只須將當前獲得的熱電偶熱電動(dòng)勢代人公式(3)即可計算熱氣機管壁當前溫度。該方法相對于查表計算，執行代碼少，因此運行速度快，具有較高的實(shí)時(shí)性，運行中若溫度超過(guò)750℃則報警。擬合線(xiàn)性化測溫流程圖如圖4所示。
 
4應用結果與分析
　　熱氣機在額定工況運行時(shí)，要求管理溫度精度控制在±2℃內，這樣才能獲得較好的性能。相對于此時(shí)的管壁溫度700℃,控制要求較高。為了滿(mǎn)足該要求，使用查表法進(jìn)行K型熱電偶信號監測。在實(shí)際使用中發(fā)現，該方法能夠滿(mǎn)足熱氣機控制精度要求，但由于查表法軟件處理步驟較多，再疊加熱氣機自身燃燒滯后因素，在熱氣機額定運行工況下很難將溫度控制在±2℃內，一般在±5℃內，不能滿(mǎn)足熱氣機特殊溫度控制需要。解決辦法是提高硬件質(zhì)量，并使用高速微處理器,但此舉會(huì )導致成本增加。另外，若使用擬合線(xiàn)性化測溫，根據K型熱電偶信號特點(diǎn)，將其溫度區間分為若干段進(jìn)行線(xiàn)性化擬合，如將其分為17段區間，其測量精度和實(shí)時(shí)性較高，能夠滿(mǎn)足熱氣機管壁溫度監控的需要。然而，熱氣機在升降擋時(shí),.其溫度升降也較為頻繁，軟件須在多個(gè)測溫區間跳躍，在每個(gè)區間調用不同的擬參數，因此為了保證控制軟件的運行速度，需要配置較高的ARM處理器，不滿(mǎn)足成本控制的要求。
　　基于上述因素，綜合考量后提出在熱氣機點(diǎn)火拖動(dòng)期間采用查表法測量K型熱電偶溫度，在進(jìn)入600℃后使用擬合線(xiàn)性化測溫，將熱氣機管壁溫度控制在額定運行狀態(tài)下。此舉能夠保證控制的精度和實(shí)時(shí)性，由于運算量較少，使用普通的單片機就能完成熱氣機控制任務(wù)，成本較低。
　　在實(shí)際使用中，熱氣機在點(diǎn)火拖動(dòng)時(shí)對溫度測量的實(shí)時(shí)性要求較低，因此，查表法能夠勝任該任務(wù);熱氣機運行穩定后，3擋工況分別運行在630℃、670℃和700℃等3個(gè)點(diǎn)上，恰好在熱電偶一個(gè)線(xiàn)性化的602~748℃的區間內，因此可以用一個(gè)線(xiàn)性化公式計算熱電偶測量溫度。在3000h熱氣機可靠性增長(cháng)試驗中，熱氣機點(diǎn)火拖動(dòng)控制正常,在額定運行工況下熱氣機運行溫度控制在2℃內，熱氣機能夠平穩發(fā)電，也沒(méi)有發(fā)生熱氣機管壁被燒蝕現象，說(shuō)明本熱電偶測量方法正確、適用。
5結論
　　采用查表法和擬合線(xiàn)性化相結合的方法設計.的精度高K型熱電偶多通道溫度測量電路在0~600℃區間采用查表法測溫，在600~750℃區間采用擬合線(xiàn)性化方法測溫，在滿(mǎn)足溫度測量精度和實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)，還可低成本。在熱氣機3個(gè)額定工況運行點(diǎn)(630℃、670℃和700℃)上，熱氣機管壁溫度控制精度為±2℃,達到預期目標。
　　實(shí)際使用結果表明:采用該電路測量的熱電偶溫度數據真實(shí)、可靠，熱電偶信號處理方法滿(mǎn)足溫度測量的需要，可用于溫度參數的提取和數據分析。設計經(jīng)驗和方法可在相關(guān)領(lǐng)域推廣應用。