1 热电偶传感器的工作原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电偶的基本转换原理是将被测量温度变化转换为mV级热电势信号输出。常用的热电偶有S、B、E、K、R、J、T等类型,按IEC国际标准生产,并指定这七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。具体方法是将组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离;必要时热电偶冷端温度补偿。
2 高精度智能温度测量仪的结构设计与工作原理
2.1 热电偶测量温度产生误差分析
热电偶是由二根不同的导体材料焊接而成,温度变化引起电动势的变化,两者之间的变化存在必然的联系,但它们不是线性关系,而是随着温度的升高,电动势的变化值也在逐步变大,例如S热电偶在0~100℃时为0.00643mV/℃,而在1000 ~1100℃时为0.012mV/℃,由此表明温度与电动势的斜率不是一个固定值。制作仪表刻度盘时一般多是等刻度或等步长,即使非等刻度使用者也会引起观察误差,所以根据热电偶各段产生的电动势不同,进行分段数据分段斜率设计,人为设计0~100℃、100℃~200℃、200℃~300℃、300℃~400℃等多个量程段进行数据采集。这样就解决温度—电动势非线性问题,从而提高仪表的测量精度。
2.2 温度测量仪的结构设计
系统的硬件组成主要有五部分,如图1所示:热电偶、微控单元、采样单元、输出与显示单元和报警单元。测量仪的设计重点是采样单元,采样单元的工作原理表示为,E=α0+α1T+α2T2+…+αNTN。其中热电偶的电动势表示为E,温度表示为T,系数为αN,其中幂级数越大,精度越高,线性化也越好。通过展开高次幂级数的方式可以制作出线性化电路。幂级数越大精度就越高,通常取2次级数,线性化的精度可以精确到百分数。
2.3 微控单元
主要负责测量仪的实时处理计算,包括对传感器系统采集信息的处理、决策等。控制系统微处理器采用飞思卡尔MC9S12NE64,它包括一个16位的中央处理器单元(CPU)、集成10/100Mbps以太网媒体访问控制器(EMAC)、两个异步串行通讯接口模块、一个串行接口、一个16位定时器模块(TIM)、一个8通道10位模数转换器(ADC)、多达21个管脚可用于键盘唤醒输入(KWU),还有两个额外的外部异步中断。MC9S12NE64采用16位的数据通路。微处理器与远程计算机采用无线通讯,由RS-485总线及Modbus_RTU协议构成初始波特率为9600b/s,初始参数初始化用户可以自行调整,微处理器将信息发给无线收发装置即可,对于AD538AD乘法器电路、AD594AD补偿电路、放大电路送来的信息进行处理,试验中单片机完全达到设计要求。
2.4 采样单元
2.4.1 AD538AD乘法器电路
AD538AD乘法器电路是一个18管脚集成电路,有两级6个输入, 4个参考点, 2个内部基准电压, 1个正电源, 1个负电源, 2个接地和两级的输出。
2.4.2 采样单元的设计
采样单元主要由热电偶、AD538AD乘法器电路、AD594AD补偿电路、放大电路组成。在热电偶的测试电路中比较困难的是线性化电路,对于线性化电路有各种各样的方法,根据采样单元的工作原理,我们使用AD538AD乘法器电路在此完成电路的信号线性化,该电路有三个输入VX, VY, VZ,其输出电压可以表示为VOUT=VY(VZ/VX)m的函数关系。AD538AD的精度为0.5%,经过它处理的数据误差就会更小,因此它符合电路的设计要求。除此外,AD538AD还有两个高精度内部基准电压输入端,可以使电路的动态测量范围更宽。线性化原理电路图如图2所示。
AD594AD是专用补偿集成电路,它可以进行热电动势的放大与基准点的温度补偿,而且内置断线检测电路,这样可以在温度补偿方面减少了大量电路设计或者减少许多控制算法,提高使用者的有效时间。因为AD594AD的放大功能,将本来的非线性误差也放大了若干倍,因此AD538AD乘法器电路在线性化电路这方面显露出它的作用。电路如图3所示。
2.5 信息检测智能化
为提高检测精度,采用了传感器信息融合技术。设计中对传感器实行多段信息采集,和原始信号采集。U1的输出经一级比较器和非门,接单片机P1.0口。原始信号直接送单片机P1.1口,以S热电偶为例,若热电偶原始测量信号在0~0.643mV,表明温度在0~100℃内,量程选择开关J1和J2自动选择第一档位置(J1和J2为数据选择开关, J1和J2的通断分别受单片机控制),若热电偶原始测量信号0.643mV~1.436mV,表明温度在100℃~200℃,量程选择开关J1和J2第二档位置。依此类推,将多端检测点的结果融合后作为单片机的输入,单片机对P1.0口信息进行判断调整,实现了电势与温度显示自动线性化。
2.6 报警及显示单元
AD594AD是专用补偿集成电路,内置断线检测电路,如果系统出现被测传感器短路、断路等异常现象时,如图3所示,发光二极管发出断续的红光,单片机根据采集的微小变化自动识别和报警。显示单元采用四位半表头显示,高于1000℃测量时也能够满足温度显示需要。
3 试验结果
将自行设计的高精度温度测量仪进行测试,应用学校实验室马福炉的温度测试(温度仪表为专用温度校验仪误差小于0.5% ),测试时测量数据与实际数据比较如表1所示。
上表表明在通过对热电偶传感器的分段数据采集,采用低成本的AD538AD乘法器电路结合单片机技术,进行在线性化电路完成自动检测,高精度温度测量仪输出比较稳定,抗干扰能力强,达到预期设计要求。
4 结论
本系统具有集成化特点,灵敏度高,抗干扰性强、体积小等特点,可广泛地应用于静态测量、动态测量及自动化控制等领域。因此,它具有广泛的实用性。由于它测试时间短、检定精度高、运作可靠、操作简单,并能对热电偶传感器短路、断路等故障自动识别和报警,具有智能仪表的特点。
参考文献:
[1]范玉久.化工测量及仪表[M].化学工业出版社, 1981.
[2]梁森.自动监测技术[M].机械工业出版社, 2004.
作者简介:邓健(1976—),男,硕士研究生,主要从事数据库应用研究。
