多通道智能熱電偶測溫模塊的研制

摘要:火電廠的溫度測量具有溫度高且點(diǎn)數(shù)多的特點(diǎn),目前普遍采用熱電偶傳感器來進(jìn)行溫度測量。文中介紹了一種應(yīng)用于火電廠溫度測量的多通道智能熱電偶測溫模塊的具體研制方案。該測溫模塊具有3大優(yōu)點(diǎn):首先可同時(shí)測量16個(gè)通道的溫度點(diǎn)每個(gè)通道的溫度點(diǎn)可配置8種不同類型的熱電偶傳感器;其次采用了帶數(shù)字濾波功能的精度高模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)可以有效濾除I頻干擾;最后通過外部標(biāo)準(zhǔn)電壓源進(jìn)行精度校準(zhǔn)、冷端補(bǔ)償與插值計(jì)算提高了測溫精度。
0引言
　　實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中利用塞貝克效應(yīng)制作的熱電偶傳感器工作原理如圖1所示"。A、B為兩種不同導(dǎo)體通過一定的方法使這兩種導(dǎo)體絞合在一起即形成熱電偶傳感器。當(dāng)把熱電偶傳感器置于一定的溫度環(huán)境中2個(gè)導(dǎo)體的結(jié)合處會形成電壓差V再通過引線引出得到電壓差V2(引線不會改變電壓差,即Vz=V})通過測量該電壓差值查找相應(yīng)類型的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表就可知道測量點(diǎn)的溫度值。目前熱電偶傳感器根據(jù)所使用金屬材料的不同可分為S型(鉑銠10-鉑)、B型(鉑銠30-鉑銠6)、K型(鎳鉻-鎳硅)、T型(銅-康銅)、E型(鎳鉻-康銅)J型(鐵-康銅)、R型(鉑銠13-鉑)、N型(鎳鉻硅-鎳硅鎂)等8種主要類型。每種類型熱電偶傳感器2種金屬之間的電壓差和它們結(jié)合處的溫度有固定的對應(yīng)關(guān)系形成各種不同類型熱電偶傳感器標(biāo)準(zhǔn)分度表。
 
硬件設(shè)計(jì)
　　測溫模塊可以滿足16個(gè)通道的溫度測量，且各通道所配置的熱電偶傳感器類型可以是S型、B型、K型、T型、E型、J型、R型及N型共8種常用類型中的任意一種,支持冷端溫度自動補(bǔ)償功能‘[3-4]測溫模塊的硬件原理如圖2所示,由通道切換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、通訊電路及CPU電路等部分組成。通道切換電路的CH1~CH16為16個(gè)熱電偶測溫通道,CH17~CH20為冷端補(bǔ)償通道冷端補(bǔ)償采用四線制熱電阻測溫傳感器實(shí)現(xiàn)熱電偶傳感器冷端所處環(huán)境溫度的測量。
 
1.1通道切換電路
　　測量通道切換電路采用光電耦合器器件's]實(shí)現(xiàn)外部信號和內(nèi)部電路的隔離提高模塊的抗干擾性能。為消除通道切換帶來的誤差在模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始對某個(gè)通道熱電偶電壓進(jìn)行采樣之前應(yīng)使通道開關(guān)保持一-定的時(shí)間，以確保模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到穩(wěn)定的熱電偶電壓值。
1.2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
　　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是把采集到某個(gè)通道的熱電偶電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用高位數(shù)、精度高模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(6]該芯片對50Hz的工頻干擾具有較好的濾波功能,在很大程度上簡化了前置濾波電路及軟件濾波程序的設(shè)計(jì)工作。
1.3通訊電路
　　通訊電路部分負(fù)責(zé)接收.上位機(jī)設(shè)置的各通道熱電偶傳感器類型及冷端補(bǔ)償使用的熱電阻類型配置信息同時(shí)把測量到的各通道溫度值發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示、分析和處理。通訊協(xié)議采用CAN總線協(xié)議可以把多個(gè)測溫模塊進(jìn)行組網(wǎng)形成可以測量更多通道的智能測溫網(wǎng)絡(luò)。
1.4CPU電路
　　CPU是整個(gè)測溫模塊的控制中樞負(fù)責(zé)通道切換控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制、測量溫度值計(jì)算、精度校準(zhǔn)及通訊管理等功能并具備測量通道的斷線狀態(tài)檢測和測值超限報(bào)警等功能。
2軟件設(shè)計(jì)
　　測溫模塊的軟件主要是完成各通道熱電偶傳感器電壓值的測量并根據(jù)各通道熱電偶傳感器類型和冷端補(bǔ)償熱電阻類型查詢相應(yīng)熱電偶分度表和熱電阻分度表插值計(jì)算出各通道測量點(diǎn)的溫度并通過CAN總線通訊發(fā)送給.上位機(jī)進(jìn)行顯示、分析和處理。
測溫模塊軟件通過C語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[7-8]其工作流程如圖3所示。
 
　　測溫模塊在首次使用前應(yīng)外接標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓源進(jìn)行精度校準(zhǔn)校準(zhǔn)完成后接收.上位機(jī)下發(fā)的CH1~CH16共16個(gè)通道熱電偶傳感器配置類型及冷端補(bǔ)償通道熱電阻配置類型信息保存在各通道的類型配置變量中;然后測溫模塊通過測量冷端補(bǔ)償熱電阻阻值的大小,查詢相應(yīng)類型的熱電阻分度表計(jì)算出熱電偶傳感器冷端所處的環(huán)境溫度T;再循環(huán)對16個(gè)通道的熱電偶傳感器電壓值進(jìn)行測量得到16個(gè)通道的電壓值U,~U16最后根據(jù)各通道的熱電偶傳感器類型和冷端溫度T計(jì)算出各通道熱電偶傳感器測量點(diǎn)的溫度值通過CAN網(wǎng)發(fā)送給上位機(jī),同時(shí)對測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理判斷該通道是否斷線或越限,以確定是否進(jìn)行報(bào)警指示。
2.1冷端補(bǔ)償及溫度計(jì)算方法
　　國際電工委員會(IEC)制定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表是當(dāng)冷端溫度為0℃時(shí)熱電偶傳感器2個(gè)不同金屬之間的電勢差與溫度的對應(yīng)關(guān)系表。但在實(shí)際工程測量時(shí)很難把熱電偶傳感器的冷端放置在零度中一般是把冷端直接置于環(huán)境溫度中,由于冷端的環(huán)境溫度不是0℃如果簡單地把測量到的熱電偶電壓差按照標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表進(jìn)行查詢和計(jì)算則所得到的測量點(diǎn)溫度是不正確的。因此在工業(yè)場合使用熱電偶傳感器測溫時(shí)，需要對其冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正熱電偶電壓差值再按照標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表查找并計(jì)算才能得到測量點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度]。
2.1.1冷端補(bǔ)償
　　測溫模塊的冷端補(bǔ)償是通過熱電阻傳感器來測量熱電偶傳感器冷端所處的環(huán)境溫度。熱電阻測溫原理如圖4所示，測量方法采用四線制通過提供標(biāo)準(zhǔn)的電流信號給熱電阻傳感器再通過測量熱電阻傳感器兩端的電壓大小,可計(jì)算出熱電阻傳感器的阻值大小再查詢該類型的熱電阻分度表就可得到熱電阻傳感器所處的環(huán)境溫度也就是熱電偶傳感器冷端所處的環(huán)境溫度。
 
2.1.2溫度值計(jì)算
　　實(shí)際測量點(diǎn)的溫度值計(jì)算需要知道冷端補(bǔ)償熱電阻大小及其分度表、熱電偶傳感器電壓值及其分度表。例如冷端補(bǔ)償用的熱電阻為Cu50、測量點(diǎn)的熱電偶傳感器為K型實(shí)際測量點(diǎn)的溫度值計(jì)算流程如圖5所示。
 
　　第一步通過測量到冷端補(bǔ)償熱電阻的阻值大小,查詢Cu50熱電阻分度表計(jì)算出冷端溫度Tci第二步反查K型熱電偶分度表得到冷端補(bǔ)償?shù)碾妷褐礥rc;第三步把冷端補(bǔ)償電壓值Urc補(bǔ)償?shù)綄?shí)際測量到的K型熱電偶傳感器的電壓值Ukc-上如式(1)所示得到冷端為0℃時(shí)的熱電偶傳感器電壓值Uk;第四步通過Uk值查詢K型熱電偶分度表插值計(jì)算出實(shí)際測量點(diǎn)的溫度TK*
 
2.2精度校準(zhǔn)
　　某些型號的熱電偶傳感器測量點(diǎn)溫度值較大變化弓|起的電壓值變化非常微小。表1所示B型熱電偶分度表300℃對應(yīng)的電壓與301℃對應(yīng)的電壓差值僅為0.003mV即3μV.B型熱電偶的最高量程為1820℃如果要使模塊的測量相對誤差為2%oF.S(滿量程)即測量溫度絕對誤差應(yīng)控制在3.66℃之內(nèi),則測量到熱電偶傳感器電壓值的絕對誤差應(yīng)該控制在0.01mV,即10μV以內(nèi)才能滿足精度要求。測溫模塊雖然采用了精度較高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器但要同時(shí)測量16個(gè)通道的熱電偶傳感器的電壓值且須把誤差控制10μV以內(nèi)測量通道帶來誤差、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的線性誤差等都會對測量精度帶來較大的影響。
 
　　為解決測溫模塊測量溫度時(shí)誤差過大的問題裝置采用外部校準(zhǔn)的方法即每1個(gè)測溫模塊在正式使用之前在2個(gè)測量通道(如第-通道CHI和第二通道CH2)外加標(biāo)準(zhǔn)的精度高參考電壓源V和V.把模數(shù)轉(zhuǎn)換器測量到的這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓對應(yīng)的碼值X口和X保存在CPU內(nèi)部的FLASH中。正式測量過程中把測量到實(shí)際熱電偶傳感器電壓值對應(yīng)的碼值X通過式(2)插值計(jì)算出實(shí)際熱電偶傳感器電壓值來道過該緩法可有效減少通道誤差以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的線性誤差。進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),應(yīng)保證參考電壓源的穩(wěn)定性并選擇精度高的儀表進(jìn)行校準(zhǔn)值的監(jiān)視和調(diào)整。
 
3試驗(yàn)結(jié)果與總結(jié)
　　由B型熱電偶分度表可知當(dāng)溫度差為1C時(shí)其對應(yīng)的電壓差非常小只有3μV左右因此測溫模塊應(yīng)具有較高電壓測量精度。為了檢驗(yàn)該測溫模塊的測量精度在其中1個(gè)通道施加一定電壓以模擬實(shí)際B型熱電偶信號測溫模塊的測量溫度與熱電偶分度表的標(biāo)準(zhǔn)溫度對比如表2所示。例如,當(dāng)施加的熱電偶電壓為0.787mV其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值為400℃而測溫模塊測量到的溫度為400.8℃絕對誤差僅為0.8℃相對誤差可以達(dá)到0.44%oF.s.由此可見該測溫模塊具有較高的.測量精度。
 
　　多通道智能測溫模塊具備測量點(diǎn)多支持多種類型的熱電偶傳感器采用外部精度校準(zhǔn)和冷端溫度補(bǔ)償?shù)确椒ň邆漭^高的溫度測量精度可以滿足DCS系統(tǒng)對火電廠溫度測量的要求。