??? 摘 要：以單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能為基礎(chǔ)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合而不是理想集成運(yùn)放的計(jì)算公式為測量依據(jù),，提出了檢測環(huán)境電勢和現(xiàn)場電勢的新方法,，并根據(jù)兩者之和即為熱電偶標(biāo)準(zhǔn)電勢這一基本依據(jù)，設(shè)計(jì)了基于R型熱電偶的測溫系統(tǒng),。由于采用了軟件對各電勢信號處理,，大大簡化了傳統(tǒng)補(bǔ)償電路，使硬件設(shè)計(jì)僅包括環(huán)境溫度測量,、現(xiàn)場電勢測量及單片機(jī)的信號處理三個(gè)模塊,，并且顯著降低了成本。仿真表明,，系統(tǒng)測溫精確,，誤差小于5℃。
??? 關(guān)鍵詞：熱電偶,；數(shù)據(jù)擬合,；冷端補(bǔ)償；單片機(jī),；熱端溫度
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??? 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度檢測,、熱處理、鑄造等廣泛領(lǐng)域都需要用到溫度儀表來檢測溫度,，在這些儀表中用得最多的就是熱電偶儀表,。然而由于熱電偶的非線性特點(diǎn)，使得熱電偶的測溫電路非常復(fù)雜,。例如為了實(shí)現(xiàn)非線性變化量的測量,，傳統(tǒng)測溫儀表電路往往需要十余個(gè)集成運(yùn)放和近百個(gè)外圍電阻、電容等元件,，不僅電路極為復(fù)雜,，而且易受環(huán)境溫度影響，測量精度也難以提高,。另一方面,，由于用以計(jì)算溫度的熱電偶標(biāo)準(zhǔn)熱電勢是在其冷端溫度為0 ℃時(shí)測量的[3]，而實(shí)際應(yīng)用中,，熱電偶冷端溫度往往不是0 ℃,，受環(huán)境影響在-50 ℃～+50 ℃范圍內(nèi)變化，這種大幅度的環(huán)境溫度變化使熱電偶的測量產(chǎn)生巨大誤差,，因此需對熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償,。同樣,，傳統(tǒng)儀表的冷端補(bǔ)償電路也存在電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn),。
??? 針對上述傳統(tǒng)測溫電路的缺點(diǎn),，可對簡單模擬電路的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,，將擬合結(jié)果交給數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大的單片機(jī)處理,，就可以使電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)大大簡化，并獲得更高的檢測精度,。本文在對大量試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)擬合和電路仿真的基礎(chǔ)上,，提出了新的熱電偶測溫儀表設(shè)計(jì)方法，以期為該類型測溫儀表的生產(chǎn)提供參考,。
1 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償
??? 在電極材料和冷端溫度保持不變的情況下,，熱電偶的熱電勢為熱端溫度(熱源溫度)的單值函數(shù)。通常工作溫度是由冷端為0 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)熱電勢來反映,，因此需要對非0 ℃的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償,。其依據(jù)是中間溫度定律[1]：
??? 已知熱電偶的熱端溫度為T(℃)，冷端溫度為0 ℃時(shí)的熱電勢為E(標(biāo)準(zhǔn)電勢),。如果：(1)該熱端溫度為Tn(環(huán)境溫度),，冷端溫度為0 ℃時(shí)的熱電勢為E1(環(huán)境電勢); (2)該熱電偶的熱端溫度為T，冷端溫度為Tn時(shí)的熱電勢為E2(現(xiàn)場電勢),。那么：
??? E=E1+E2?????????????????????????????????????????? ?(1)
??? 根據(jù)該定律,，只要設(shè)法測出環(huán)境電勢E1，并將其與熱電偶測出的現(xiàn)場電勢E2求和,，即可計(jì)算出對應(yīng)熱源溫度的標(biāo)準(zhǔn)熱電勢E,，并由已知試驗(yàn)結(jié)果確定出熱端溫度T。
2? 環(huán)境電勢測量電路設(shè)計(jì)
??? 熱電偶的環(huán)境電勢是環(huán)境溫度的單值函數(shù),，所以只要利用熱電阻等溫度傳感器測出環(huán)境溫度就可以由已知的試驗(yàn)結(jié)果確定出環(huán)境電勢,。對K型熱電偶，其環(huán)境電勢隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)的最小二乘擬合得到,。其計(jì)算公式如下：
??? E1=0.0392×Tn+0.0340??????????????????????? (2)
??? 式(2)中：E1為熱電偶的環(huán)境電勢(mV); Tn為環(huán)境溫度(℃),。式(2)適用的溫度范圍為-50 ℃~+50 ℃。
??? 式(2)中的環(huán)境溫度Tn可由圖1所示的電路實(shí)現(xiàn),。其中R22、R16,、R17和R18組成測溫電橋,，其輸出信號接差動(dòng)集成運(yùn)放UA741。R18為WZB型鉑熱電阻(0℃時(shí),，標(biāo)稱電阻值為100Ω),，R16為68Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻。該電路可以獲得近似恒流法的線性輸出電壓Vi2和Vi3。顯然Vi3與熱電阻R18存在線性關(guān)系,，所以熱電阻隨溫度的變化可以線性地反映到輸出端Vo1,。通過試驗(yàn)測出不同溫度下的輸出電壓Vo1，將試驗(yàn)結(jié)果擬合可確定出環(huán)境溫度Tn與輸出電壓Vo1的關(guān)系如下：
??? Tn=33.6080×Vo1-76.8451???????????????????? ?(3)
式(3)中,，Tn為環(huán)境溫度(℃); Vo1為輸出電壓(V),。將模擬量Vo1經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送入單片機(jī)即可計(jì)算出環(huán)境溫度Tn，再將Tn代入式(2)即可由單片機(jī)計(jì)算出環(huán)境電勢E1,。
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3? 現(xiàn)場電勢測量電路設(shè)計(jì)
??? 圖2為測量現(xiàn)場電勢E2的電路,，熱電偶所測出的現(xiàn)場電勢由電阻R14輸入到集成運(yùn)算放大器UA741。由于集成運(yùn)放并非完全理想,，在精確的測量中,，其輸出電壓Vo2與現(xiàn)場電勢E2間的計(jì)算關(guān)系不能簡單地采用理想集成運(yùn)放的公式確定，而應(yīng)依據(jù)試驗(yàn)建立,。本文由數(shù)據(jù)擬合而確定的現(xiàn)場電勢計(jì)算公式如下：
??? E2=16.3017×Vo2-1.2603???????????????????????(4)
式中,，E2為現(xiàn)場電勢(mV); Vo2為檢測電路的輸出電壓(V)。將Vo2經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入單片機(jī),，即可由式(4)計(jì)算出現(xiàn)場電勢E2,。
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4? 熱電勢測溫信號處理電路設(shè)計(jì)
??? 在確定了環(huán)境電勢E1和現(xiàn)場電勢E2后，即可由式(1)確定熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)電勢E,。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果[4],，可得出K型熱電偶熱端溫度T和標(biāo)準(zhǔn)電勢E存在如下擬合關(guān)系：
??? T＝24.5020×E-4.0446 ????????????????????? (5)
式中，T為待檢測的熱端溫度(℃),，E為熱電偶冷端溫度為0℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電勢(mV),。圖3為由式(5)擬合的曲線，可以看出,，該擬合公式具有很高的計(jì)算精度,。依據(jù)式(5)可由單片機(jī)程序計(jì)算出熱端溫度。
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??? 圖4為熱端溫度信號處理電路圖(及仿真效果),，主要由A/D轉(zhuǎn)換器件ADC0832,、單片機(jī)AT89S51、液晶顯示器LCD1602,、上拉電阻R2～R9等組成,。
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??? ADC0832主要完成模擬電壓信號的采集與轉(zhuǎn)換，該芯片有2個(gè)輸入通道CH0和CH1,，其中CH0輸入現(xiàn)場電勢信號,，接圖2的輸出電壓信號Vo2；CH1輸入環(huán)境電勢信號,，接圖2的輸出電壓信號Vo1,，2個(gè)電勢信號的采集次序受單片機(jī)AT89S51的指令控制,。該芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號VAL與輸入模擬電壓Vi間的計(jì)算關(guān)系如下[5]:
??? VAL=51×Vi???????????????????????????? ?(6)
式中，VAL為輸出的數(shù)字信號(0～255); Vi為輸入的模擬電壓(V),。當(dāng)數(shù)字信號VAL輸入單片機(jī)后,，即可依據(jù)(6)式求出輸入電壓Vi，并進(jìn)而由(2)～(3)式計(jì)算出環(huán)境電勢E1和現(xiàn)場電勢E2,。將兩者通過單片機(jī)求和即可算出標(biāo)準(zhǔn)電勢E,。
5? 冷端補(bǔ)償?shù)能浖O(shè)計(jì)
??? 采用單片機(jī)軟件進(jìn)行信號處理與運(yùn)算，可以替代傳統(tǒng)集成運(yùn)放等傳統(tǒng)硬件電路,，從而簡化電路結(jié)構(gòu),，縮小電路板體積。本文由軟件實(shí)現(xiàn)的冷端自動(dòng)補(bǔ)償?shù)牟糠諧語言程序設(shè)計(jì)如下：
??? ………(受篇幅所限,，省略有關(guān)液晶驅(qū)動(dòng),、AD轉(zhuǎn)換子程序及有關(guān)變量聲明)
??? while(1)? //無限循環(huán)以對環(huán)境電勢和現(xiàn)場電勢進(jìn)行全程采集
??? ?{
??? VAL= A_D0( )；?? //對通道0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,，采集現(xiàn)場電勢E2的數(shù)字量
??? E2=8×VAL/25-1;? //計(jì)算現(xiàn)場電勢,，依據(jù)式(4)和式(6)的化簡結(jié)果
??? VAL=A_D1( ); //對通道1進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采集環(huán)境電勢E1的數(shù)字量
??? E1=VAL/40-3,；//計(jì)算環(huán)境電勢,，依據(jù)式(2)、(3)和(6)的化簡結(jié)果
??? E=E2+E1,； //計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電勢
??? T=24×E+E/2-4,；//計(jì)算熱端溫度，依據(jù)式(5)的化簡結(jié)果
??? display(T),；//調(diào)用顯示程序,，在LCD上顯示熱端溫度
??? ………
??? }?????
6? 測溫儀表的仿真與試驗(yàn)
??? 為確保熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)能浻布O(shè)計(jì)正確，縮短開發(fā)周期,，本文基于Proteus軟件進(jìn)行了仿真,。其基本過程是：(1)設(shè)計(jì)圖1以及圖1和圖4所示的仿真原理圖;然后將圖1中的熱電阻R18取值為111.88Ω(30℃時(shí)的試驗(yàn)值)，再將圖2中的輸入現(xiàn)場電勢取為37.325 mV(900 ℃時(shí)K型熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)電勢); (3)運(yùn)行仿真,，即可得到圖4所示熱端溫度的仿真效果,。進(jìn)一步試驗(yàn)表明，系統(tǒng)測量誤差小于5℃,。
??? 熱電阻隨環(huán)境溫度的變化,，可以線性地變換為環(huán)境電勢隨環(huán)境溫度的變化，從而可以利用熱電阻測出環(huán)境電勢?，F(xiàn)場電勢與輸出電壓間的關(guān)系是以試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合為基礎(chǔ),，而不是簡單地利用理想集成運(yùn)放的計(jì)算公式，結(jié)果可使檢測精度明顯提高并簡化電路設(shè)計(jì),，這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,。
??? 通過對環(huán)境電勢信號和現(xiàn)場電勢信號的采集和A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)對轉(zhuǎn)換后的兩個(gè)數(shù)字信號變換,、求和,，即可實(shí)現(xiàn)熱電偶冷端的自動(dòng)補(bǔ)償，不僅過程簡單,，而且可以大大簡化傳統(tǒng)補(bǔ)償電路,，符合用“軟件代替硬件”的現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想。
參考文獻(xiàn)
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