基于K型熱電偶溫度傳感器的測溫系統研究

摘要：在飛機熱交換器健康狀態(tài)檢測采集溫度時(shí)，對于正確性和便捷無(wú)線(xiàn)傳輸要求的問(wèn)題，建立一個(gè)利用K型熱電偶溫度傳感器進(jìn)行溫度采集的系統。該系統將采集到的數據通過(guò)WiFi進(jìn)行傳輸，并利用靜態(tài)校準和數據擬合的方法提高測量精度。系統結合上位機，可實(shí)現在遠離惡劣的實(shí)際工作環(huán)境下完成溫度的實(shí)時(shí)采集、保存、分析和歷史查詢(xún)。實(shí)驗結果表明，該系統不僅成本低、易操作，而且經(jīng)過(guò)靜態(tài)校準和數據擬合之后，傳感器測量精度能夠控制在0.5℃以?xún)?，可?shí)現較正確的溫度采集。
0引言
      在工業(yè)工程應用中，溫度是常用的被控參數之一，溫度的采集和工業(yè)的控制技術(shù)占據重要地位，也得到了迅速發(fā)展和廣泛應用[1?2]。我國飛機空調系統故障率較高，這給飛機運行造成了影響[3]。熱交換器是飛機空調系統中重要的組成部件，在飛機環(huán)境控制系統的各種故障模式中，熱交換器的故障是復雜的而且影響大。近年來(lái)，國內外學(xué)者對飛機熱交換器故障診斷進(jìn)行研究[4?5]，研究表明，當熱交換器污垢增多時(shí)，換熱效率也隨之降低，直觀(guān)表現在初級和次級熱交換器出口溫升高，當溫度達到一定值時(shí)，表明熱交換器健康狀態(tài)差，需要清洗或維修[6]。在傳統的溫度采集系統中，RS232串口通信可靠性高[7?8]，硬件接口簡(jiǎn)單，但是在采集飛機熱交換器出口溫度時(shí)，現場(chǎng)噪聲大，環(huán)境惡劣，因此需要一個(gè)簡(jiǎn)單易操作，適應工作環(huán)境的通信方式。針對這一實(shí)際問(wèn)題，提出基于WiFi無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的現場(chǎng)采集飛機熱交換器出口溫度的系統。WiFi具有通信組網(wǎng)能力強、成本低、功耗低、體積小、信號穿透性好等優(yōu)點(diǎn)[9]，能夠使檢修人員在遠離現場(chǎng)的情況下正確采集到所需溫度數據，改善檢修人員的工作環(huán)境。本系統基于A(yíng)VR單片機[10]的溫度采集系統，以K型螺釘式熱電偶溫度傳感器[11?12]作為溫度采集單元，ATmega16A單片機為主控芯片，USR?C215無(wú)線(xiàn)WiFi模塊作為傳輸模塊。利用上位機平臺，完成溫度數據的采集、分析、顯示、存儲和報警等工作，研制出采集溫度時(shí)，不但可遠離噪聲大、環(huán)境差的采集環(huán)境，而且可實(shí)現實(shí)時(shí)監控的方案。
1總體方案設計
     系統采用模塊化設計,包括K型熱電偶傳感器溫度采集終端模塊、AVR單片機控制模塊、WiFi無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊和監控界面及數據分析平臺,另外通過(guò)在停機坪現場(chǎng)測試驗證系統方案的可行性和可靠性。系統具體主要由_上位機、數據采集模塊、單片機、通信模塊和報警模塊組成。溫度采集模塊經(jīng)過(guò)轉換芯片轉換之后,將數字信號發(fā)送給單片機進(jìn)行處理。通過(guò)WiFi模塊與上位機進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信,將溫度數據發(fā)送給上位機，上位機通過(guò)程序設計對采集到的數據進(jìn)行分析,與實(shí)際情況進(jìn)行對比,當溫度超過(guò)安全范圍時(shí),單片機啟動(dòng)報警電路,同時(shí)上位機將數據保存,以便日后查詢(xún)分析。系統總體設計圖如圖1所示。

2系統硬件設計
     硬件系統主要完成溫度的采集、數據的處理和數據的傳輸,根據要求整體電路選用低功耗方案。系統硬件主要包括MCU中央處理器、WiFi通信模塊、K型熱電偶傳感器溫度采集終端和報警模塊。在電路設計過(guò)程中，除了特別需要的LED顯示燈,剩余大部分元器件都使用的是貼片元件,組裝密度高,重量輕,元器件之間布線(xiàn)距離短,高頻性能好,適用于本系統便于攜帶的需求。
2.1MCU中央處理器模塊.
      本系統使用的是ATmega16A單片機。ATmegal6A是高性能、低功耗的8位AVR單片機,16KB可自編程存儲器,512BEPROM,擦寫(xiě)壽命為100000次,這為產(chǎn)品的反復修改和開(kāi)發(fā)提供了方便。ATmega16A作為中央處理器,整個(gè)系統的控制中心有32個(gè)可用I/0口,在用C語(yǔ)言進(jìn)行編程時(shí),要將I/0口的輸入、輸出設定好。在設計電路時(shí),要明確晶振、電源等外圍電路。
2.2WiFi通信模塊
本系統采用基于WiFi的數據檢測方案,主要包括前端數據采集端、分布式無(wú)線(xiàn)接人點(diǎn)和上位機控制中心。整個(gè)飛機熱交換器溫度采集傳輸系統構成如圖2所示。

2.3K型熱電偶傳感器溫度采集終端
     對于K型熱電偶蕊及測溫電偶絲,如果將熱電偶的熱端加熱,使得冷、熱兩端的溫度不同,則在該熱電偶回路中就會(huì )產(chǎn)生熱電勢,這種物理現象稱(chēng)為熱電現象(即熱電效應)。閉合回路示意圖如圖3所示。

      圖中,熱電現象產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢組成,A和B是兩種不同的金屬。A和B接觸時(shí),在接觸處會(huì )有電子擴散現象發(fā)生,AB之間會(huì )產(chǎn)生接觸電勢,電勢定義為:

     式中:ko為玻爾茲曼常數,值為1.38X10^-23J/K;T為絕對溫度;n_A和ns為金屬材料A和B的自由電子密度;e為電子電荷電量,值為1.6X10^-10C。
當任何一種金屬的兩端溫度不同時(shí),兩端的自由電子濃度也不同,因此產(chǎn)生電勢差,即溫差電勢,電勢定義為:

      在實(shí)際情況中,同一種金屬產(chǎn)生的溫差電勢極小，是可以忽略的。假設將金屬A兩端分別放在高、低溫區,且To>T1,則熱電偶的閉合回路電勢E_AB(To,T1)可表示為:

      式(3)表示的是相對于冷端而言熱端的溫度,在溫度測量時(shí)需要得到的是以0℃為基準的熱端溫度,因此需要通過(guò)E_AB(To,0),E_AB(To,T1)和T。求出,這個(gè)過(guò)程就是熱電偶的冷端溫度補償。
冷端溫度補償的方法有很多種，本系統采用的是冰點(diǎn)補償法，即通過(guò)將補償導線(xiàn)末端放人冰水混合物恒溫器中的方法,把熱電偶冷端的溫度調為0℃,這樣可直接得到熱端的溫度
熱電偶靜態(tài)校準過(guò)程如下:
1)將熱電偶的量程分為n個(gè)間距相等的點(diǎn);
2)按照等間矩點(diǎn)分成的標準量從小到大依次輸入;
3)按照等間矩點(diǎn)分成的標準量從大到小依次輸入。
依次重復步驟2)和步驟3),記錄測試結果。經(jīng)過(guò)對熱電偶的校準,得到圖4所示結果。

      由圖4可以看出,K型熱電偶傳感器線(xiàn)性度很好,且校準數據與分度表相差很小，因此該熱電偶性能可靠
2.4報警模塊
     飛機熱交換器出口的溫度狀態(tài)分為正常、邊緣和高溫3種模式,本系統利用不同顏色的LED燈來(lái)表示其溫度狀態(tài),表示方式如表1所示


     當熱交換器出口溫度達到邊緣狀態(tài)時(shí)，需要工作人員對其進(jìn)行檢查是否需要清洗維修;當達到高溫狀態(tài)時(shí),熱交換器需立即從飛機上拆下進(jìn)行維護。為了讓現場(chǎng)工作人員更加清晰地了解情況,添加一個(gè)報警模塊,該模塊通過(guò)控制繼電器通斷控制警燈,當溫度超過(guò)安全范圍時(shí)，高溫報警信號發(fā)送給單片機的一一個(gè)I/0日,單片機控制繼電器吸合,警燈報警
3軟件系統設計
3.1人機交互界面設計
      人機交互界面包括上位機顯示屏、數據分析與處理、通信監測、歷史數據查詢(xún)等部分。系統以計算機為核心,在設計過(guò)程中以VisualStudio為平臺,采用VB.net進(jìn)行編程,形成完整的監測系統。整體設計框架如圖5所示。
軟件系統采集數據時(shí)的使用流程如圖6所示。

      首先,本系統是服務(wù)于飛機熱交換器出口溫度的采集上,飛機空調系統中熱交換器不止一個(gè),因此在使用之前需要將熱交換器信息錄人到系統中,并且針對不同的目標設置相應的IP地址,通過(guò)WiFi通信模塊與路由器節點(diǎn)建立連接以進(jìn)行正確的WiFi無(wú)線(xiàn)數據傳輸實(shí)現一-對多通信;其次,溫度傳感器測得的數據與實(shí)際溫度相比有一-定的偏差,因此在實(shí)際采集數據之前需要進(jìn)行標定;最后,本系統在現場(chǎng)實(shí)際應用操作時(shí),需要將熱交換器編號、使用情況及現場(chǎng)操作的人員錄人進(jìn)去,以便對號人座。
      由于現實(shí)情況的需要,溫度采集結束之后還需將所測數據保存至數據庫,包括采集溫度的時(shí)間、熱交換器在飛機空調系統中所處位置、溫度采集時(shí)熱交換器的狀態(tài)和采集數據的工作人員姓名等。這些數據將會(huì )保存在數據庫中,在需要時(shí)上位機系統可以開(kāi)啟數據查詢(xún)的功能。查詢(xún)條件包括熱交換器型號名稱(chēng)、熱交換器在空.調系統中的位置(測試點(diǎn))、數據采集的日期范圍(查詢(xún)日期),經(jīng)過(guò)條件輸人,可以查詢(xún)出正確的數據。另外還可以將所查詢(xún)到的數據導出到Excel表格中,以便工作人員日后的分析處理。
3.2最小二乘法數據擬合
      硬件器件的選取很謹慎,在使用K型熱電偶之前進(jìn)行校準,但是在實(shí)際工程應用中也難以避免發(fā)生運放電路產(chǎn)生誤差、溫度漂移等現象,這會(huì )對測量精度產(chǎn)生影響。為了進(jìn)一步提高測量精度,在熱交換器出口溫度范圍內,利用最小二乘法對實(shí)際測得的數據進(jìn)行擬合,并在Matlab里進(jìn)行誤差的分析,并與硬件電路輸出的誤差進(jìn)行對比,結果如圖7所示?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)最小二乘法擬合之后,測量誤差由原來(lái)的小于0.9℃降為擬合后的小于0.5℃這符合工程使用時(shí)的精度要求。

4實(shí)驗測試
      本系統主要應用于飛機檢修時(shí)飛機初級和次級熱.交換器出口溫度的采集。隨機在熱交換器3種有代表性的不同狀態(tài)下進(jìn)行測試,經(jīng)過(guò)校準和擬合之后溫度測試結果如表2所示?？梢钥闯?經(jīng)過(guò)最小二乘法擬合之后隨機測量的溫度誤差小于0.5℃,符合設計要求,有效提高了精度。
     本系統采集到的溫度數據既可以以表格的形式導出,又可以以曲線(xiàn)的形式呈現。曲線(xiàn)形式的呈現第--可以清晰地顯示出歷史數據,第二可以將溫度的變化趨勢呈現出來(lái)，第三可以將數據鏈接到Matlab中進(jìn)行溫度趨勢的預測。在實(shí)驗測試中,成功將歷史數據以曲線(xiàn)的形式呈現出來(lái),以次級熱交換器出口溫度為例,溫度曲線(xiàn)圖如圖8所示。

      根據溫度變化的趨勢可以分析出熱交換器性能的變化趨勢,能提高預測熱交換器換熱性能,完善溫度采集系統。經(jīng)過(guò)測試,系統的各項功能都能正常實(shí)現,且操作方便,所獲數據誤差在預期范圍內,可靠性強,可以快速地采集到熱交換器出口溫度。
5結語(yǔ)
      飛機熱交換器是飛機制冷系統中重要的組成部件，其健康狀態(tài)是飛機安全舒適運行的參考指標。本文設計一套低成本、可靠性高的采集熱交換器出口溫度的系統,利用AVR單片機和K型螺釘式熱電偶溫度傳感器實(shí)現飛機熱交換器溫度的實(shí)時(shí)采集和控制,并在VisualStudio平臺下完成上位機監控界面。通過(guò)WiFi對采集到的數據進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸,并在上位機界面完成數據的分析處理,有效地將測量、監控和分析技術(shù)結合起來(lái)。經(jīng)測試,該系統運行穩定,可操作性強,測量精度高,滿(mǎn)足飛機維護人員遠距離、無(wú)線(xiàn)對熱交換器溫度的采集和實(shí)時(shí)監控要求,工作環(huán)境得到有效的改善,工作效率得到有效的提高。
      本文系統具有運行穩定、成本低、操作簡(jiǎn)單(無(wú)需布線(xiàn)).適應性強等優(yōu)勢,不僅可以用于采集熱交換器出口溫度,在工業(yè)溫度采集中也有很好的應用和發(fā)展空間。