窯爐用熱電阻、熱電偶智能溫度測量板應(yīng)用

[摘要]:溫度是影響陶瓷燒成質(zhì)量的關(guān)鍵因素，介紹了一種適用于測量各種窯爐不同部位溫度的智能溫度測量板，由于該系統(tǒng)在不同的測溫部位分別采用了熱電阻和熱電偶，克服了一般測溫系統(tǒng)在連接不同的測溫傳感器需要更換不同的測溫模板、成本高、使用不方便等不足，并具有適用性強(qiáng)、測溫精度高等優(yōu)點(diǎn)。
引言
　　溫度是影響陶瓷燒成質(zhì)量的關(guān)鍵因素，熱電阻、熱電偶是目前廣泛使用的兩種溫度傳感器，熱電阻主要用.于低溫段的測溫，它是利用金屬的電阻隨著溫度的升高而增大的原理工作的，通過檢測金屬電阻的變化實(shí)現(xiàn)溫.度的檢測。根據(jù)材料可分為鉑電阻和銅電阻。熱電偶主要用于高溫段的測溫，它是利用熱電(壓)效應(yīng)原理工作的器件，把兩種不同的金屬接合在一起，在結(jié)合點(diǎn)上有一個(gè)溫差就會(huì)產(chǎn)生溫差電勢E，此稱為塞貝克效應(yīng)(溫差電動(dòng)勢效應(yīng))，溫差電動(dòng)勢的大小僅由金屬A和B的種類和溫差的大小來決定1。根據(jù)構(gòu)成熱電偶材料的不同，按ITS--90國際溫標(biāo)的規(guī)定，熱電偶有B、s、R、K、N、E、J、T八種。它直接輸出電壓信號(hào)(溫差電勢)信號(hào),不需要驅(qū)動(dòng)電源。
　　在設(shè)計(jì)智能溫度測量板時(shí)，由于既要用熱電阻(PT100、CU50)作為溫度傳感器，又要用熱電偶(上述8種熱電偶)測溫，只要通過相應(yīng)的軟件設(shè)置，就能適應(yīng)上述各種不同的傳感器，無需用戶更換測溫板，使設(shè)計(jì)的智能溫度測量板的適用性大大增強(qiáng)。
1溫度智能測溫板的硬件設(shè)計(jì)
 
1.1溫度測量儀系統(tǒng)構(gòu)成
　　圖1為通用溫度測量儀的硬件框圖,輸入為8個(gè)通道，通過繼電器控制選擇前置處理電路，8通道測量共用信號(hào)調(diào)理電路，通道切換采用電子開關(guān):為適應(yīng)輸入信號(hào)變化范圍和提高測量精度，信號(hào)放大電路采用可變?cè)鲆孢\(yùn)放，A/D轉(zhuǎn)換采用14位雙積分型器件，輸入輸出采用隔離措施提高抗干擾性;微控制器選用89C52，它具有獨(dú)立的信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理能力，通過異步串行口接受采樣命令和發(fā)送采樣值[2]。
1.2前置放大電路的設(shè)計(jì).
　　熱電阻普遍是三線制接法，由于熱電阻本身的電阻較小，如PT100在0℃是的電阻為100Ω，而且它隨溫度的變化量較小，每變化1℃電阻變化0.38Ω左右，它們?cè)谑褂脮r(shí)，由于熱電阻安裝在現(xiàn)場，與測控儀表有一定的距離，只要有0.38Ω的引線電阻，就將使測溫誤差至少達(dá)到1℃，在精度高測量時(shí)引線電阻的影響不能忽略，因此熱電阻常用不平衡電橋接法，可有效的克服引線電阻r的影響，橋路供電采用精度高恒壓源[8],如圖2所示。在此種電路接法應(yīng)用下，溫度誤差為2℃左右，要實(shí)現(xiàn)誤差為±0.3℃，必須要有線性校正電路，考慮到用硬件校正線路復(fù)雜，效果差，故采用軟件校正，采用分段線性擬和算法。
 
　　熱電偶輸出信號(hào)已是電勢，無須加轉(zhuǎn)換電路，可直接接后邊的濾波、放大電路。要設(shè)計(jì)成熱電阻、熱電偶混用，主要區(qū)別在于前置轉(zhuǎn)換電路的不同，在設(shè)計(jì)中是通過使用2只雙組12V繼電器解決這個(gè)問題，第一只繼電器用于3輸入端子與后續(xù)處理電路的隔離，與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)測量板共用此3端，第二只繼電器用于熱電阻橋路的接入或切換到熱電偶的處理電路，利用繼電器的2個(gè)常開端接入熱電阻橋路，熱電阻公共端直接入橋路地，2個(gè)常閉端直接接入熱電偶處理電路，接線端子1、2接兩組觸點(diǎn)公共端，而對(duì)于每--.路輸入信號(hào)，外接端子只有3個(gè)，以第一路為例，當(dāng)接熱電阻時(shí)，接線端子1、2接熱電阻的兩端，3端接公共端，當(dāng)接熱電偶時(shí)，接線端子1、2端接熱電偶的兩端，3端不接，其它7路類同。濾波、放大電路采用兩級(jí)RC濾波電路，第1級(jí)R=100Ω,C=0.1uf第2級(jí)R=2KΩ,C=0.1uf，整個(gè)濾波電路的截止頻率約是800Hz，后接3只穩(wěn)壓二極管，反向穩(wěn)定電壓是4.3V,具有輸入保護(hù)作用，誤加幾十伏電壓不會(huì)造成溫度板的損壞，后接4只CD4052，用于8路熱電阻、熱電偶輸入通道的切換。
　　放大電路選用BURR-BROWN公司的儀用放大器INA118，用它將輸入差動(dòng)信號(hào)變?yōu)閱味诵盘?hào)，作為預(yù)放大電路，放大倍數(shù)為取Rg=10KΩ，K=6,.由于橋路輸出電壓和各種熱電偶的輸出電勢信號(hào)幅度相差較大，用單一放大倍數(shù)不能滿足要求，必須采用可變?cè)鲆娣糯箅娐罚瑸榇耍捎靡粔K精度高、低漂移運(yùn)放0P-07和一塊多路轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4051以及若干1%精度金屬膜電阻和精密多圈電位器組成第二級(jí)可變?cè)鲆娣糯箅娐罚糯笮盘?hào)上限到±2V，可完全滿足要求[5]。
為實(shí)現(xiàn)精度高測量，必須消除來自放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等系統(tǒng)的時(shí)漂和溫漂，采用數(shù)字校零技術(shù)(即先采集校零通道數(shù)字量，再采集8通道輸入數(shù)字量，CPU減去校零通道數(shù)字量作為正式測量值)從根本上消除了放大器等漂移產(chǎn)生的誤差。
　　熱電偶必須采用冷端溫度補(bǔ)償，本設(shè)計(jì)采用各種熱電偶通用冷端補(bǔ)償電路，即先測出冷端環(huán)境溫度TO，再結(jié)合具體測溫?zé)犭娕嫉男吞?hào)查出冷端電勢E(T0,0)，然后加.上高溫端測量電勢E(T，T0)，得到E(T,0)，通過查表得到溫度T,所以各種熱電偶均能適應(yīng)。
1.3A/D轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì)
　　模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用美國INTERSIL公司的A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135，它具有4位半精度(相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù))，可以給出士20000個(gè)數(shù)，因此所有型號(hào)的傳感器都可以在設(shè)計(jì)溫度范圍達(dá)到0.1℃以內(nèi)的分辨率，它采用雙積分式工作方式，能有效的克服輸入脈沖干擾，非常適用于工控現(xiàn)場，輸出數(shù)字穩(wěn)定，精度高;缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢，它完成1次轉(zhuǎn)換需40002個(gè)時(shí)鐘周期，在500KHZ時(shí)鐘頻率下，需80亳秒，但由于測量的是溫度信號(hào)，它本身是一慢速緩變信號(hào)，變化速率在1的2秒，所以用ICL7135作A/D轉(zhuǎn)換器較合理;另外，工控現(xiàn)場50HZ串模干擾比較嚴(yán)重，影響轉(zhuǎn)換精度，只要外部輸入時(shí)鐘頻率是50HZ的整數(shù)倍，它可克服50HZ串模干擾[6。
　　在溫度板.上，選用4MHZ方型集成晶振作為時(shí)鐘發(fā)生器，不須外接振蕩電容，只須接+5V電源即可，輸出頻率穩(wěn)定，頻率漂移小，通過接4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC93實(shí)現(xiàn)分頻后送ICL7135時(shí)鐘端，分頻系數(shù)是1/8，A/D轉(zhuǎn)換的CLK時(shí)鐘頻率定為500KHZ，這樣A/D轉(zhuǎn)換一-次需80毫秒，即1秒轉(zhuǎn)換12次，采樣速率合適。ICL7135的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輪流輸出的BCD碼，不是總線輸出型結(jié)構(gòu)，不能和單片機(jī)89C52數(shù)據(jù)總線直接相連，所以和89C52并行口P1相連，占用P1.0-P1.3,89C52以中斷方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，由于A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是5個(gè)4位動(dòng)態(tài)輪流輸出BCD碼B8B4B2B1，并相應(yīng)輸出BCD碼數(shù)據(jù)的位選通信號(hào)，為節(jié)省占用P1口數(shù)量,使用74HC157-2選1數(shù)據(jù)選擇器[n。精度高電壓基準(zhǔn)源的產(chǎn)生采用可調(diào)式電壓基準(zhǔn)W431，它的基準(zhǔn)輸出電壓為2.5V，且可隨外接電阻的不同輸出電壓可調(diào)，最高輸出電壓30V,基準(zhǔn)電壓溫漂極小，動(dòng)態(tài)輸出電阻很低。
精度高電壓基準(zhǔn)源的產(chǎn)生采用可調(diào)式電壓基準(zhǔn)W431，它的基準(zhǔn)輸出電壓為2.5V，且可隨外接電阻的不.同輸出電壓可調(diào)，最高輸出電壓30V,基準(zhǔn)電壓溫漂極小，動(dòng)態(tài)輸出電阻很低。
1.489C52單片機(jī)的應(yīng)用擴(kuò)展設(shè)計(jì)
　　單片機(jī)系統(tǒng)部分采用ATMEL89C52作為CPU，外擴(kuò)16KEPROM。為實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制，外接2個(gè)74HC377數(shù)據(jù)鎖存器，通過P2.0、P2.1的線選鎖存控制斷開或閉合，采用2塊8路驅(qū)動(dòng)器ULN2803驅(qū)動(dòng)16只+12V繼電器工作。為實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電阻、熱電偶通道的選擇及運(yùn)放0P-07增益的控制，外接2個(gè)74HC377數(shù)據(jù)鎖存器，P2.2、P2.3作為片選，并通過3塊TLP421-4光耦控制通道切換及增益切換。溫度板測得的溫度數(shù)據(jù)通過串行口RXD、TXD和主板.上的P51XAG3的串行口1的TXD1、RXD1進(jìn)行串行通訊傳輸，每一路溫度數(shù)據(jù)為2字節(jié)16進(jìn)制數(shù)，一次傳送16字節(jié)，是在8通道測量后才允許通過串行中斷傳送，保證溫度數(shù)據(jù)的同時(shí)更新，89C52處于從機(jī)工作方式[8]。
　　為加強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾措施，溫度板模擬電路和單片機(jī)數(shù)字電路之間采用隔離，電源隔離采用北京眾人牌隔離電源5D5一100，信號(hào)的隔離采用普通4光耦器件TLP421-4四塊，普通單光耦器件TLP421-1一塊，在板上每塊易受干擾的集成塊電源間接入0.1uf的濾波電容也是抗干擾的措施。
 
2試驗(yàn)的測量結(jié)果
　　對(duì)陶瓷燒成溫度區(qū)域進(jìn)行劃分，在300℃以下接入PT100熱電阻，在300℃以上接入S型熱電偶。將此種新型測溫儀的測量結(jié)果與現(xiàn)有的陶瓷窯爐測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示，在300℃以下最大誤差為0.22℃,大部分溫度測量誤差在0.20℃以內(nèi);300℃以上測量誤差在3.5℃左右,測量精度高于一般的陶瓷窯爐溫度測量儀，尤其在低溫段特別明顯。
3結(jié)語
　　設(shè)計(jì)的智能溫度測量板能適用于燒結(jié)陶瓷的各種窯爐的溫度測量，由于該系統(tǒng)在測溫的不同部位分別采用了熱電阻和熱電偶，克服了--般測溫系統(tǒng)在連接不同的測溫部位的傳感器時(shí)，需要更換不同的測溫模板，成本高,使用不方便的不足，所以具有一定的適用性和推廣價(jià)值;而且采用熱電阻測溫時(shí)測量誤差只有±0.2°C;采用熱電偶測溫時(shí)，S型在0~1600C最高測量誤差為0.3%FS,K型在0~1200℃最高測量誤差為0.25FS，實(shí)現(xiàn)了精度高測量。這種智能溫度測量板在熱工測量中具有廣闊的應(yīng)用前景。