摘要:介绍了一种高精度的温度采集系统的结构及工作原理。提出了基于DSP的数字式热电偶的非线性处理方法及冷端温度补偿方法,提高了测量精度,降低了成本。
1 引言
温度在工农业生产中是用得最多的热工量,热电偶作为一种接触式温度传感器应用非常普遍,它结构简单,温度范围宽、精度高,响应快。但在传统的热电偶测温中存在以下几个问题: 其一,应保持冷端温度为零,或进行冷端温度补偿;其二,热电偶的输出电势非常低,一般为几μV至几十μV,满量程输出也只有几十mV至几百mV,必须解决微弱直流信号放大的问题;其三,热电势和温度呈复杂曲线形式,非线性较明显,必须解决非线性补偿问题。其四,不同的分度号的热电偶必须配备与之对应的二次表;其五,多个测点间难以相互通讯。普通的模拟仪表由分立元件或小规模集成电路构成,非线性补偿较困难,且精度不高,结构复杂,成本高。本文采用了美国TI公司生产的TMS320x24X系列定点DSP控制器能够很好解决上述问题。
TMS320F240 DSP控制器是TI公司推出的专为数字控制系统设计的高速微处理器,采用哈佛结构,含有32位中央算术逻辑单元、32位累加器、16位16位并行硬件乘法器,并带有32位结果寄存器和8个辅助寄存器;采用静态COMS工艺技术,4种低功耗操作模式可进一步节电;单指令周期小于50ns,决大多数指令可用单指令周期完成;片上集成事件管理器、ADC、28个可编程复用I/O引脚,具有实时中断的看门狗的电路、串行通信接口、串行外设接口等功能外设。并有多种封装形式[1]。
2 系统框架
系统硬件框图如图1,它由输入回路,DSP的数据处理模块,接口及控制电路,输出回路等几部分构成。输入回路主要包括通过DSP的A/D输入通道对多点的热电偶进行数据采集,以及热电偶冷端温度的测量;输出回路主要是显示电路及模拟量输出部分;数据处理主要有数字滤波的实现、热电偶冷端补偿算法的实现、热电势的非线性处理等。系统软件流程如图2。
3 数据采集
3.1 热端温度采集
为保证所有型号的热电偶均得到A/D满量程、高精度的转换,设计了多量程程控放大系统,对应各种不同的热电偶,温度变送器输出统一的0~5V标准电压信号,充分保证A/D转换器的转换精度。
TMS320F240片内配置了一个双十位模拟数字转换模块(ADC),每个单元具有8个模拟输入通道,可以连续的同时或单转换。每个模拟数字转换单元在1个模拟数字转换预定标时钟周期内完成输入采样,在4个预定标时钟周期内完成转换,即在5个模拟数字转换预定标时钟周期内完成全部采样、转换操作,需要约5.5微秒的时间。
3.2 冷端温度测量
在实验室采用冰浴等恒温方法使热电偶的冷端温度为0℃或维持某一定值,但在测点多且分布广、环境恶劣的条件下是不适用的。目前经常采用的是补偿电路法,这种方法也只能在一定范围内得到补偿,且精确性不高。故在这里采用测量冷端温度的软件补偿法。
由于DSP芯片A/D转换模块的输入通道有限,而且在一般情况下冷端温度变化幅度不大,因此本文对冷端温度的数据采集采用不占用DSP片内的模拟数字转换模块,但又能保证测量精度的DS18B20数字温度传感器。DS18B20是单线式数字温度传感器,其特点是:可将被测温度直接转换成DSP能识别的9到12位二进制数字信号,直接送入数据总线。其中最高位为符号位,即“0”为正温度,“1”为负温度,其余位数表示被测温度。在-10~85℃范围内,其准确度为±0.5℃。DS18B20使用方便,和DSP连接不需外加接口,就能够完成温度的检测,转换时间短,功耗低,能够满足各种领域温度测量的要求。
4 电偶的冷端补偿
根据热电偶回路性质中的中间温度定律,由两种不同材料的导体组成热电偶回路,当热端温度为t,冷端温度为t0时,热电偶输出的热电势为EAB(t,t0)=EAB(t,0)-EAB(t0,0),其中A、B表示组成热电偶的两种不同性质的导体;表示热电偶热端温度为t,冷端为0℃时的热电势;EAB(t0,0)表示冷端补偿热电势(由温度传感器DS18B20测得的温度反查表得到)。由中间温度定律知,则只要测出热电偶输出的热电势EAB(t,t0),即可得到EAB(t,0),再通过线性化处理就能得到热电偶热端实际温度。
5 数据处理
5.1 非线性处理
热电偶的温度和热电势呈一一对应关系,但具有明显的非线性,通常数字热电偶温度计都采用查表法、直线等分法或最小二乘法进行线性化处理,这些方法占用数字处理芯片的内存较多或精度较低。
由于DSP可以用C语言设计,而MATLAB又可翻译成C语言[2],所以通过使用MATLAB中的一维插值函数interp1来计算热电势对应的温度值有着很好的效果。我们以铂铑10-铂(S分度号)为例来说明,程序如下:
t0=[0 100 200 400 700 1000 1750];
vol=[0 .646 1.441 3.259 6.275 9.587 18.503];
t=interp1(vol,t0,ti,’spline’);
式中t0表示铂铑10-铂分度表温度取值点数组;vol表示温度t0在该分度表中对应的热电势;t表示热电势为ti对应的温度。
通过数值分析比较得到S分度号热电偶取7点比较理想,在0-300℃非线性程度较大,因此在0-400℃取4点,而400℃以上非线性程度较小,可取3点。表1是对部分点计算结果。从表中数据可知相对误差在10-4数量级,完全能够满足一般测试要求。
5.2 数字滤波
在温度测控系统中加入IIR数字滤波器,可以改善系统的动态性能、减轻主控CPU的负担,加快信号处理速度。与用模拟器件构造的滤波器相比,数字滤波器对电压波动、温度漂移、器件老化等影响不敏感,构造数字滤波器的算法也不复杂,既可简化系统,又可提高系统的稳定性。温度检测系统的数字滤波器采用无限脉冲响应(IIR)数字滤波器,这种滤波器设计简单, 与FIR数字滤波器相比,在同阶的情况下,工作效率更高些。
至此,用于拓展测温系统频带的2阶IIR数字滤波器就设计出来了。图4是此数字滤波器结构图。
6 在线标定
众所周知,热电偶的准确度是实验室条件下确定的,而安装现场条件远不如实验室条件好,使得在线热电偶出现”计量误差”,而且,由于使用条件的不断变化,误差也在不断变化。为了 解决这一问题,在同一条件下分别按装一个标准热电偶和普通热电偶,经A/D输入通道进入DSP。通过数值比较,还可对其它点进行数字补偿。实验证明其使用效果理想,能够保证在线热电偶的标定和校准的准确度。
7 抗干扰措施
根据对热电偶工作中受到干扰的分析,可将干扰源分为电磁感应、高温漏电、高压电场、附加电势、化学电势、泄漏电流等。对这些干扰可采用屏蔽法、隔离法、接地法等措施进行预防。(1)屏蔽法就是将热电偶的补偿导线,穿在铁管或其他金属屏蔽物内进行屏蔽。这样可以防止电磁干扰和高压电场的干扰。使用此种方法时应该将铁管和屏蔽物进行良好接地,并且将补偿导线绞起来。(2)隔离法就是将热电偶悬空安装,使热电偶不与炉壁的耐火砖接触,热电偶与支架之间也采用绝缘物进行隔离。这种方法可以很好地预防高温漏电干扰。(3)接地法是将测量回路进行接地处理,把干扰引入大地从而保证仪表的测量准确性。这种方法有两种地形式:第一是热电偶参考端接地,第二种是热电偶测量端接地。采用参考端接地法时,是将热电偶(或补偿导线)输出端的一端,通过一个足够大的电容接地(条件许可时电容越大越好)。测量端接地法是将热电偶测量端接地,就是从热电偶的测量端引出一根金属丝接地。这种方法对高温漏电干扰有很好的预防效果。选用金属丝时应该选用耐高温且对热电偶电极无害的金属丝。
8 结束语
本文都以S分度号热电偶为例进行介绍,其它分度号如J、K、T等设计过程与之相同。此方法硬件结构简单、测量精度高、抗干扰能力强,能在环境温度为-10~85℃之间进行全补偿。 自设计完成以来工作没出现异常,有较高的可靠性。
9 参考文献:
[1] 韩安太,刘峙飞,黄海,编著.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M].北京:清华大学出版社,2003
[2] 李真芳,苏涛,黄小宇,编著.DSP程序开发[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.10
作者简介:顾洲(1973-),男,江苏省涟水人,南京师范大学动力工程学院,助教,主要从事单片机及PLC方向研究。
