精度高多通道K型熱電偶溫度測(cè)量

摘要:根據(jù)熱氣機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)、控制參數(shù)要求和成本控制要求,設(shè)計(jì)一種基于PIC18F6722單片機(jī)的K型熱電偶溫度測(cè)量方法。單片機(jī)在0~600℃時(shí)采用查表法計(jì)算熱電偶溫度,在600~750℃時(shí)采用擬合線性化方法計(jì)算熱電偶信號(hào)溫度。在3000h的熱氣機(jī)可靠性試驗(yàn)中,在630℃、670℃和700℃等3個(gè)熱氣機(jī)額定工況運(yùn)行點(diǎn)上,該方法能將熱氣機(jī)管壁溫度控制在±2℃內(nèi),且成本較低，滿足設(shè)計(jì)要求。
0引言
　　熱氣機(jī)川是一種外燃機(jī)，性能優(yōu)越，在運(yùn)行時(shí)要求溫度控制在±2℃范圍內(nèi)，因此在實(shí)時(shí)性、精度等方面對(duì)其加熱器的測(cè)溫要求較高。K型熱電偶輸出信號(hào)具有不受其管徑、補(bǔ)償導(dǎo)線長(zhǎng)度和形狀影響的優(yōu)點(diǎn)，因此在熱氣機(jī)管壁溫度測(cè)量方面獲得應(yīng)用。K型熱電偶在實(shí)際應(yīng)用中須采取相應(yīng)措施才能獲得較高的測(cè)量精度。徐朝勝等口]對(duì)K型熱電偶信號(hào)進(jìn)行毫伏冷端補(bǔ)償，通過查表計(jì)算熱電偶測(cè)量溫度，輔以折線修正以達(dá)到較高測(cè)量結(jié)果。查表計(jì)算和折線修正需要一定時(shí)間，再疊加熱氣機(jī)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足熱氣機(jī)管壁溫度測(cè)量實(shí)時(shí)性高的要求。王曉丹等B]基于分段擬合線性化處理法開發(fā)一種熱電偶精度高測(cè)量方法，該方法計(jì)算速度快、實(shí)時(shí)性好，在0~500℃區(qū)間內(nèi)測(cè)量精度優(yōu)于1℃;然而，分段多造成計(jì)算量大，需要較高的硬件成本支撐。
　　如果采用文獻(xiàn)[3]的方法計(jì)算熱氣機(jī)管壁額定溫度就會(huì)存在兩個(gè)問題:一是硬件成本高;二是熱氣機(jī)管壁額定溫度正常運(yùn)行在630~700℃,熱氣機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度高(超出文獻(xiàn)[3]要求的-50℃的標(biāo)定溫度),在計(jì)算時(shí)測(cè)量誤差較大，不能滿足熱氣機(jī)管壁溫度控制精度為±2℃的要求。因此，有必要設(shè)計(jì)一種滿足熱氣機(jī)管壁溫度測(cè)量需要的K型熱電偶信號(hào)測(cè)量電路,其測(cè)量精度、實(shí)時(shí)性、成本等均應(yīng)滿足熱氣機(jī)工程實(shí)際需求。
1測(cè)量工作原理
　　熱氣機(jī)共有4個(gè)工作缸，須設(shè)置8根K型熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，點(diǎn)火成功并達(dá)到設(shè)定拖動(dòng)溫度后開始拖動(dòng)熱氣機(jī)啟動(dòng)，然后逐步調(diào)整至熱氣機(jī)管壁額定溫度700℃，最終以此溫度在控制精度誤差范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。熱氣機(jī)拖動(dòng)溫度允許在560~600℃的寬廣范圍內(nèi)，即無須準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地控制溫度，符合這個(gè)溫度范圍即可。在穩(wěn)定運(yùn)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(duì)熱氣機(jī)的對(duì)振動(dòng)和效率指標(biāo)影響較大。據(jù)此分析，提出一種適合熱氣機(jī)工作特點(diǎn)的管璧溫度測(cè)量設(shè)計(jì):使用K型熱電偶測(cè)量熱氣機(jī)管壁溫度，點(diǎn)火成功后，使用查表方法計(jì)算當(dāng)前熱氣機(jī)管壁溫度,當(dāng)熱氣機(jī)管壁溫度達(dá)到580℃時(shí)拖動(dòng)熱氣機(jī)開始運(yùn).行，運(yùn)行到600℃時(shí)采用擬合線性化方法。該設(shè)計(jì)可保證熱電偶精度高的信號(hào)測(cè)量及較高的測(cè)量實(shí)時(shí)性，以滿足在熱氣機(jī)運(yùn)行時(shí)管壁溫度測(cè)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(jì)算K型熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)的溫度:
E=Et+E0(1)
　　式中:E為被測(cè)物體在參考溫度時(shí)的毫伏熱電動(dòng)勢(shì);Et為當(dāng)前采集獲得的毫伏熱電動(dòng)勢(shì)，E0為0℃時(shí)熱電偶毫伏熱電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)獲得的毫伏熱電動(dòng)勢(shì)E，在國(guó)際K型熱電偶分度表(ITS-90)中查找當(dāng)前毫伏信號(hào)所對(duì)應(yīng)的溫度。
　　在600~750℃區(qū)間采用擬合線性化方法計(jì)算K型熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)的溫度:
 
　　式中:T為采用擬合線性化方法處理后的溫度;E0為當(dāng)前溫度對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì);Ei為擬合線性化溫度區(qū)間的開始熱電動(dòng)勢(shì);Ki為擬合線性化溫度區(qū)間的斜率;Ti為擬合線性化溫度區(qū)間的開始溫度。
　　在600~750℃區(qū)間內(nèi)，擬合線性化溫度區(qū)間的斜率Ki=42，擬合線性化溫度區(qū)間的開始溫度Ti=602，擬合線性化溫度區(qū)間的開始熱電動(dòng)勢(shì)Ei=24990，將參數(shù)代人公式(2)得:
 
　　根據(jù)公式(3)可以計(jì)算600~750℃區(qū)間內(nèi)的當(dāng)前溫度，根據(jù)ITS-90表，當(dāng)K型熱電偶在700℃時(shí)(在0℃參考溫度條件下)，其熱電動(dòng)勢(shì)為29129μV，代人公式(3)得T=700.55℃，可見誤差在1℃以內(nèi)，滿足熱氣機(jī)管壁溫度控制精度，為±2℃的要求，若溫度超過750℃則報(bào)警。
2測(cè)量電路硬件設(shè)計(jì)
2.1硬件架構(gòu)
　　依據(jù)上述測(cè)量方法，根據(jù)熱氣機(jī)實(shí)際需要,提出如圖2所示的多通道K型熱電偶測(cè)量電路架構(gòu)。
 
　　K型熱電偶信號(hào)為毫伏電壓信號(hào)，極易受到外界干擾而產(chǎn)生測(cè)量結(jié)果波動(dòng)，測(cè)量電路的精度和穩(wěn)定性差。因此，采用圖2中的信號(hào)調(diào)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(diào).理電路共有8路，與熱氣機(jī)管壁熱電偶一一對(duì)應(yīng)。
　　對(duì)于多通道熱電偶測(cè)量，--般采用模擬開關(guān)器件如CD4052等進(jìn)行片選后進(jìn)人模擬/數(shù)字(ana-log/digital,A/D)處理，在模擬開關(guān)進(jìn)行開關(guān)通道選擇時(shí)存在一定的開關(guān)延時(shí)，對(duì)熱氣機(jī)管壁溫度的實(shí)時(shí)性造成一-定的不利影響。另外，模擬開關(guān)具有一定的內(nèi)部阻抗，當(dāng)熱電偶信號(hào)經(jīng)過時(shí)具有信號(hào)分壓效應(yīng)，必將影響熱氣機(jī)管壁溫度的測(cè)量精度。因此，直接選用8通道AD轉(zhuǎn)換器，防止電路信號(hào)在采樣時(shí)出現(xiàn)信號(hào)延時(shí)、分壓等不利現(xiàn)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(jī)選用通過半導(dǎo)體工藝制造的PIC18F6722回,該單片機(jī)自帶閃存、帶電可擦可編程存儲(chǔ)器，具有閃存編程和寫人控制參數(shù)信息功能。在實(shí)際應(yīng)用中，可將不同的熱電偶相關(guān)參數(shù)寫人單片機(jī)的閃存中以便測(cè)試不同的擬合參數(shù)對(duì)熱電偶信號(hào)測(cè)量結(jié)果的影響程度，以滿足熱氣機(jī)管壁溫度實(shí)際測(cè)量需要。
　　AD轉(zhuǎn)換器選用ADS1263，其內(nèi)部自帶可編程增益放大器(programmablegainamplifier，PGA)、2.5V電壓基準(zhǔn)和內(nèi)部故障監(jiān)視器的32位AD轉(zhuǎn)換器，線性度優(yōu)于3x10^-6，溫漂小于1nV/℃,處理速度最大達(dá)38.4kHz，同時(shí)還輔助一個(gè)24位AD轉(zhuǎn)換器，可以在后臺(tái)用于軟件補(bǔ)償算法，所以非常適.合用于熱電偶信號(hào)采集。ADS1263共有10個(gè)輸人通道，每根K型熱電偶有2極信號(hào)，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(hào)采集工作。
3軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)基于PIC18F6722單片機(jī)和ADS1263轉(zhuǎn)換器硬件資源，使用KeiluVision5[8]編譯工具進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)。上電后，單片機(jī)PIC18F6722首先完成端口、工作模式、AD設(shè)置、定時(shí)器、濾波參數(shù)、通信接口配置等的初始化D;隨后，單片機(jī).啟動(dòng)ADS1263，開始使用查表法按公式(1)計(jì)算當(dāng)前熱氣機(jī)管壁溫度，點(diǎn)火后繼續(xù)使用查表法測(cè)量，當(dāng)熱氣機(jī)管壁溫度達(dá)到拖動(dòng)溫度時(shí)單片機(jī)控制拖動(dòng)熱氣機(jī)，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)采用擬合線性化方法按公式(3)計(jì)算熱氣機(jī)管壁溫度，使用熱氣機(jī)溫度算法將溫度維持在700C左右，若超出750℃則報(bào)警。ADS1263多通道熱電偶信號(hào)采集硬件圖如圖3所示。.
 
　　查表法測(cè)溫范圍為-270~600℃，對(duì)應(yīng)在0℃參考條件下，其熱電動(dòng)勢(shì)范圍為-6458~24905μV。首先要獲得熱電偶環(huán)境補(bǔ)償溫度，將該溫度轉(zhuǎn)換為環(huán)境熱電動(dòng)勢(shì)，再獲得熱電偶當(dāng)前的熱電動(dòng)勢(shì)，環(huán)境熱電動(dòng)勢(shì)與熱電偶當(dāng)前熱電勢(shì)之和記為熱電偶實(shí)際熱電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)該值查表，獲得熱氣機(jī)管壁當(dāng)前實(shí)際溫度。具體過程代碼如下:
if(hotNum>=8)
｛
｛
hotNum=0;
codeValue=getCJC__Value_1();
/*將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為熱電動(dòng)勢(shì)*/
codeVolatge=(CHOOSE__T>0);
/*設(shè)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(shì)*/
hotVolatge=getHotVolatge_1（channel）；
/*求取熱電偶實(shí)際熱電動(dòng)勢(shì)*/
actVolatge=codeVolatge+hotVolatge；
/*根據(jù)熱電電勢(shì)表格獲取溫度，首先要判斷
數(shù)據(jù)是否在表格范圍內(nèi)*/
if（actVolatge<（（CHOOSE_T>=0）？
（-6458）：（-6458）））
｛
temperature=-270.0；
｝
elseif（actVolatge>（24905））
｛
temperature=600；
｝
else
｛
temperature=getTCValueFromTab（actVol?
atge）；
｝
｝
　　當(dāng)熱氣機(jī)管壁溫度大于600℃時(shí)，無須使用環(huán)境溫度計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)沫h(huán)境熱電動(dòng)勢(shì)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)由擬合線性化溫度區(qū)間的斜率K;=42來替代，只須將當(dāng)前獲得的熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)代人公式(3)即可計(jì)算熱氣機(jī)管壁當(dāng)前溫度。該方法相對(duì)于查表計(jì)算，執(zhí)行代碼少，因此運(yùn)行速度快，具有較高的實(shí)時(shí)性，運(yùn)行中若溫度超過750℃則報(bào)警。擬合線性化測(cè)溫流程圖如圖4所示。
 
4應(yīng)用結(jié)果與分析
　　熱氣機(jī)在額定工況運(yùn)行時(shí)，要求管理溫度精度控制在±2℃內(nèi)，這樣才能獲得較好的性能。相對(duì)于此時(shí)的管壁溫度700℃,控制要求較高。為了滿足該要求，使用查表法進(jìn)行K型熱電偶信號(hào)監(jiān)測(cè)。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，該方法能夠滿足熱氣機(jī)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(jī)自身燃燒滯后因素，在熱氣機(jī)額定運(yùn)行工況下很難將溫度控制在±2℃內(nèi)，一般在±5℃內(nèi)，不能滿足熱氣機(jī)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(dǎo)致成本增加。另外，若使用擬合線性化測(cè)溫，根據(jù)K型熱電偶信號(hào)特點(diǎn)，將其溫度區(qū)間分為若干段進(jìn)行線性化擬合，如將其分為17段區(qū)間，其測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性較高，能夠滿足熱氣機(jī)管壁溫度監(jiān)控的需要。然而，熱氣機(jī)在升降擋時(shí),.其溫度升降也較為頻繁，軟件須在多個(gè)測(cè)溫區(qū)間跳躍，在每個(gè)區(qū)間調(diào)用不同的擬參數(shù)，因此為了保證控制軟件的運(yùn)行速度，需要配置較高的ARM處理器，不滿足成本控制的要求。
　　基于上述因素，綜合考量后提出在熱氣機(jī)點(diǎn)火拖動(dòng)期間采用查表法測(cè)量K型熱電偶溫度，在進(jìn)入600℃后使用擬合線性化測(cè)溫，將熱氣機(jī)管壁溫度控制在額定運(yùn)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(yùn)算量較少，使用普通的單片機(jī)就能完成熱氣機(jī)控制任務(wù)，成本較低。
　　在實(shí)際使用中，熱氣機(jī)在點(diǎn)火拖動(dòng)時(shí)對(duì)溫度測(cè)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(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，3擋工況分別運(yùn)行在630℃、670℃和700℃等3個(gè)點(diǎn)上，恰好在熱電偶一個(gè)線性化的602~748℃的區(qū)間內(nèi)，因此可以用一個(gè)線性化公式計(jì)算熱電偶測(cè)量溫度。在3000h熱氣機(jī)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)中，熱氣機(jī)點(diǎn)火拖動(dòng)控制正常,在額定運(yùn)行工況下熱氣機(jī)運(yùn)行溫度控制在2℃內(nèi)，熱氣機(jī)能夠平穩(wěn)發(fā)電，也沒有發(fā)生熱氣機(jī)管壁被燒蝕現(xiàn)象，說明本熱電偶測(cè)量方法正確、適用。
5結(jié)論
　　采用查表法和擬合線性化相結(jié)合的方法設(shè)計(jì).的精度高K型熱電偶多通道溫度測(cè)量電路在0~600℃區(qū)間采用查表法測(cè)溫，在600~750℃區(qū)間采用擬合線性化方法測(cè)溫，在滿足溫度測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)，還可低成本。在熱氣機(jī)3個(gè)額定工況運(yùn)行點(diǎn)(630℃、670℃和700℃)上，熱氣機(jī)管壁溫度控制精度為±2℃,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
　　實(shí)際使用結(jié)果表明:采用該電路測(cè)量的熱電偶溫度數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，熱電偶信號(hào)處理方法滿足溫度測(cè)量的需要，可用于溫度參數(shù)的提取和數(shù)據(jù)分析。設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和方法可在相關(guān)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。