基于K型熱電偶溫度傳感器的測溫系統(tǒng)研究

摘要：在飛機熱交換器健康狀態(tài)檢測采集溫度時，對于正確性和便捷無線傳輸要求的問題，建立一個利用K型熱電偶溫度傳感器進行溫度采集的系統(tǒng)。該系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi進行傳輸，并利用靜態(tài)校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)擬合的方法提高測量精度。系統(tǒng)結(jié)合上位機，可實現(xiàn)在遠(yuǎn)離惡劣的實際工作環(huán)境下完成溫度的實時采集、保存、分析和歷史查詢。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅成本低、易操作，而且經(jīng)過靜態(tài)校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)擬合之后，傳感器測量精度能夠控制在0.5℃以內(nèi)，可實現(xiàn)較正確的溫度采集。
0引言
      在工業(yè)工程應(yīng)用中，溫度是常用的被控參數(shù)之一，溫度的采集和工業(yè)的控制技術(shù)占據(jù)重要地位，也得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1?2]。我國飛機空調(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)中重要的組成部件，在飛機環(huán)境控制系統(tǒng)的各種故障模式中，熱交換器的故障是復(fù)雜的而且影響大。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對飛機熱交換器故障診斷進行研究[4?5]，研究表明，當(dāng)熱交換器污垢增多時，換熱效率也隨之降低，直觀表現(xiàn)在初級和次級熱交換器出口溫升高，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時，表明熱交換器健康狀態(tài)差，需要清洗或維修[6]。在傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)中，RS232串口通信可靠性高[7?8]，硬件接口簡單，但是在采集飛機熱交換器出口溫度時，現(xiàn)場噪聲大，環(huán)境惡劣，因此需要一個簡單易操作，適應(yīng)工作環(huán)境的通信方式。針對這一實際問題，提出基于WiFi無線傳感網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場采集飛機熱交換器出口溫度的系統(tǒng)。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[9]，能夠使檢修人員在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的情況下正確采集到所需溫度數(shù)據(jù)，改善檢修人員的工作環(huán)境。本系統(tǒng)基于AVR單片機[10]的溫度采集系統(tǒng)，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無線WiFi模塊作為傳輸模塊。利用上位機平臺，完成溫度數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示、存儲和報警等工作，研制出采集溫度時，不但可遠(yuǎn)離噪聲大、環(huán)境差的采集環(huán)境，而且可實現(xiàn)實時監(jiān)控的方案。
1總體方案設(shè)計
     系統(tǒng)采用模塊化設(shè)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無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和監(jiān)控界面及數(shù)據(jù)分析平臺,另外通過在停機坪現(xiàn)場測試驗證系統(tǒng)方案的可行性和可靠性。系統(tǒng)具體主要由_上位機、數(shù)據(jù)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)過轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換之后,將數(shù)字信號發(fā)送給單片機進行處理。通過WiFi模塊與上位機進行無線通信,將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機通過程序設(shè)計對采集到的數(shù)據(jù)進行分析,與實際情況進行對比,當(dāng)溫度超過安全范圍時,單片機啟動報警電路,同時上位機將數(shù)據(jù)保存,以便日后查詢分析。系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計
     硬件系統(tǒng)主要完成溫度的采集、數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的傳輸,根據(jù)要求整體電路選用低功耗方案。系統(tǒng)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(shè)計過程中，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,元器件之間布線距離短,高頻性能好,適用于本系統(tǒng)便于攜帶的需求。
2.1MCU中央處理器模塊.
      本系統(tǒng)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,擦寫壽命為100000次,這為產(chǎn)品的反復(fù)修改和開發(fā)提供了方便。ATmega16A作為中央處理器,整個系統(tǒng)的控制中心有32個可用I/0口,在用C語言進行編程時,要將I/0口的輸入、輸出設(shè)定好。在設(shè)計電路時,要明確晶振、電源等外圍電路。
2.2WiFi通信模塊
本系統(tǒng)采用基于WiFi的數(shù)據(jù)檢測方案,主要包括前端數(shù)據(jù)采集端、分布式無線接人點和上位機控制中心。整個飛機熱交換器溫度采集傳輸系統(tǒng)構(gòu)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產(chǎn)生熱電勢,這種物理現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象(即熱電效應(yīng))。閉合回路示意圖如圖3所示。

      圖中,熱電現(xiàn)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,在接觸處會有電子擴散現(xiàn)象發(fā)生,AB之間會產(chǎn)生接觸電勢,電勢定義為:

     式中:ko為玻爾茲曼常數(shù),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(dāng)任何一種金屬的兩端溫度不同時,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(shè)將金屬A兩端分別放在高、低溫區(qū),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,在溫度測量時需要得到的是以0℃為基準(zhǔn)的熱端溫度,因此需要通過E_AB(To,0),E_AB(To,T1)和T。求出,這個過程就是熱電偶的冷端溫度補償。
冷端溫度補償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N，本系統(tǒng)采用的是冰點補償法，即通過將補償導(dǎo)線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(diào)為0℃,這樣可直接得到熱端的溫度
熱電偶靜態(tài)校準(zhǔn)過程如下:
1)將熱電偶的量程分為n個間距相等的點;
2)按照等間矩點分成的標(biāo)準(zhǔn)量從小到大依次輸入;
3)按照等間矩點分成的標(biāo)準(zhǔn)量從大到小依次輸入。
依次重復(fù)步驟2)和步驟3),記錄測試結(jié)果。經(jīng)過對熱電偶的校準(zhǔn),得到圖4所示結(jié)果。

      由圖4可以看出,K型熱電偶傳感器線性度很好,且校準(zhǔn)數(shù)據(jù)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(tǒng)利用不同顏色的LED燈來表示其溫度狀態(tài),表示方式如表1所示


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

      首先,本系統(tǒng)是服務(wù)于飛機熱交換器出口溫度的采集上,飛機空調(diào)系統(tǒng)中熱交換器不止一個,因此在使用之前需要將熱交換器信息錄人到系統(tǒng)中,并且針對不同的目標(biāo)設(shè)置相應(yīng)的IP地址,通過WiFi通信模塊與路由器節(jié)點建立連接以進行正確的WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)一-對多通信;其次,溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)與實際溫度相比有一-定的偏差,因此在實際采集數(shù)據(jù)之前需要進行標(biāo)定;最后,本系統(tǒng)在現(xiàn)場實際應(yīng)用操作時,需要將熱交換器編號、使用情況及現(xiàn)場操作的人員錄人進去,以便對號人座。
      由于現(xiàn)實情況的需要,溫度采集結(jié)束之后還需將所測數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫,包括采集溫度的時間、熱交換器在飛機空調(diào)系統(tǒng)中所處位置、溫度采集時熱交換器的狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)的工作人員姓名等。這些數(shù)據(jù)將會保存在數(shù)據(jù)庫中,在需要時上位機系統(tǒng)可以開啟數(shù)據(jù)查詢的功能。查詢條件包括熱交換器型號名稱、熱交換器在空.調(diào)系統(tǒng)中的位置(測試點)、數(shù)據(jù)采集的日期范圍(查詢?nèi)掌?,經(jīng)過條件輸人,可以查詢出正確的數(shù)據(jù)。另外還可以將所查詢到的數(shù)據(jù)導(dǎo)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(shù)據(jù)擬合
      硬件器件的選取很謹(jǐn)慎,在使用K型熱電偶之前進行校準(zhǔn),但是在實際工程應(yīng)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(xiàn)象,這會對測量精度產(chǎn)生影響。為了進一步提高測量精度,在熱交換器出口溫度范圍內(nèi),利用最小二乘法對實際測得的數(shù)據(jù)進行擬合,并在Matlab里進行誤差的分析,并與硬件電路輸出的誤差進行對比,結(jié)果如圖7所示。可以看出，經(jīng)過最小二乘法擬合之后,測量誤差由原來的小于0.9℃降為擬合后的小于0.5℃這符合工程使用時的精度要求。

4實驗測試
      本系統(tǒng)主要應(yīng)用于飛機檢修時飛機初級和次級熱.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)下進行測試,經(jīng)過校準(zhǔn)和擬合之后溫度測試結(jié)果如表2所示。可以看出,經(jīng)過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(shè)計要求,有效提高了精度。
     本系統(tǒng)采集到的溫度數(shù)據(jù)既可以以表格的形式導(dǎo)出,又可以以曲線的形式呈現(xiàn)。曲線形式的呈現(xiàn)第--可以清晰地顯示出歷史數(shù)據(jù),第二可以將溫度的變化趨勢呈現(xiàn)出來，第三可以將數(shù)據(jù)鏈接到Matlab中進行溫度趨勢的預(yù)測。在實驗測試中,成功將歷史數(shù)據(jù)以曲線的形式呈現(xiàn)出來,以次級熱交換器出口溫度為例,溫度曲線圖如圖8所示。

      根據(jù)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(yù)測熱交換器換熱性能,完善溫度采集系統(tǒng)。經(jīng)過測試,系統(tǒng)的各項功能都能正常實現(xiàn),且操作方便,所獲數(shù)據(jù)誤差在預(yù)期范圍內(nèi),可靠性強,可以快速地采集到熱交換器出口溫度。
5結(jié)語
      飛機熱交換器是飛機制冷系統(tǒng)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(biāo)。本文設(shè)計一套低成本、可靠性高的采集熱交換器出口溫度的系統(tǒng),利用AVR單片機和K型螺釘式熱電偶溫度傳感器實現(xiàn)飛機熱交換器溫度的實時采集和控制,并在VisualStudio平臺下完成上位機監(jiān)控界面。通過WiFi對采集到的數(shù)據(jù)進行無線傳輸,并在上位機界面完成數(shù)據(jù)的分析處理,有效地將測量、監(jiān)控和分析技術(shù)結(jié)合起來。經(jīng)測試,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,可操作性強,測量精度高,滿足飛機維護人員遠(yuǎn)距離、無線對熱交換器溫度的采集和實時監(jiān)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(tǒng)具有運行穩(wěn)定、成本低、操作簡單(無需布線).適應(yīng)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(yīng)用和發(fā)展空間。