崔海佟 陳 煒 楊新圓 唐亞曼

（北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100080）

熱電偶具有響應(yīng)速度快、反應(yīng)靈敏、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于熱加工過(guò)程中的溫度測(cè)試與監(jiān)測(cè)[1-2]。在航天制造、汽車制造、涂料行業(yè)、通信行業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)中,基于熱電偶測(cè)溫的熱加工溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備是必不可少的[3-6]。隨著熱工測(cè)量專業(yè)的發(fā)展，熱加工領(lǐng)域?qū)囟葴y(cè)量的精度、及時(shí)性、穩(wěn)定性提出了更高的要求[7-8]。在產(chǎn)品熱加工過(guò)程中，熱處理的溫度對(duì)產(chǎn)品熱處理結(jié)果至關(guān)重要。工業(yè)生產(chǎn)中，由于產(chǎn)品體積較大，普通的單點(diǎn)測(cè)溫不能對(duì)整個(gè)產(chǎn)品熱加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

為了解決產(chǎn)品熱加工過(guò)程中溫度測(cè)量精度以及多點(diǎn)測(cè)溫的問(wèn)題，以S型熱電偶為溫度傳感器，設(shè)計(jì)高精度多路熱電偶測(cè)溫電路，可實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)高精度測(cè)溫。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品熱加工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸功能。在產(chǎn)品熱加工過(guò)程中，測(cè)量結(jié)果可通過(guò)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳輸給用戶。

1 電路總體設(shè)計(jì)方案

多路熱電偶測(cè)溫電路主要包括三部分，分別為數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸電路。數(shù)據(jù)采集電路主要包括冷端溫度補(bǔ)償電路與熱電偶測(cè)溫濾波電路；信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路主要包括熱電偶信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路以及冷端補(bǔ)償鉑電阻信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

S型熱電偶數(shù)據(jù)采集電路是多路熱電偶測(cè)溫電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其核心是測(cè)量冷端溫度和消除射頻干擾。

2.1.1 冷端溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

為了保證熱電動(dòng)勢(shì)與待測(cè)溫度呈線性關(guān)系，就應(yīng)保證冷端補(bǔ)償溫度測(cè)量的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。目前，熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償方法按測(cè)量設(shè)備劃分可分為外部補(bǔ)償與內(nèi)部補(bǔ)償。外部補(bǔ)償是指在設(shè)備外部通過(guò)溫度變送器、補(bǔ)償鉑電阻、固定溫度補(bǔ)償?shù)确椒ǐ@取熱電偶冷端溫度。內(nèi)部補(bǔ)償是指在設(shè)備內(nèi)部通過(guò)傳感器芯片、電橋、熱敏電阻等方式獲取熱電偶的冷端溫度。

外部補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：補(bǔ)償精度取決于外部傳感器與外部環(huán)境，只要外部環(huán)境穩(wěn)定并且傳感器精度足夠高，就可以實(shí)現(xiàn)高精度冷端溫度補(bǔ)償；外部補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)：需要在設(shè)備上設(shè)計(jì)與外部傳感器連接的測(cè)量通道。本文中設(shè)計(jì)的多路熱電偶測(cè)溫電路需要在隔熱裝置的保護(hù)下與產(chǎn)品一起進(jìn)入熱處理爐，外部補(bǔ)償無(wú)法滿足要求。

內(nèi)部補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：可以提升補(bǔ)償端的干擾抑制能力，高度集成無(wú)須外界傳感器；內(nèi)部補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)：傳感器芯片與熱敏電阻的補(bǔ)償精度較低。利用電橋進(jìn)行冷端補(bǔ)償具有局限性，電橋只能在相應(yīng)型號(hào)的熱電偶中及規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用，本文中設(shè)計(jì)的多路熱電偶測(cè)溫電路最高工作溫度為80 ℃,很難滿足電橋補(bǔ)償?shù)氖褂梅秶?/p>

因此，為實(shí)現(xiàn)高精度寬范圍的內(nèi)部冷端補(bǔ)償，選用一種A級(jí)薄膜鉑電阻PT100作為冷端補(bǔ)償溫度傳感器，利用運(yùn)算放大器LMP7704搭建恒流源電路與放大電路。

2.1.2 濾波電路設(shè)計(jì)

熱電偶在工作時(shí)由于引線長(zhǎng)度較長(zhǎng)容易受到外界環(huán)境中電磁干擾的影響，僅僅依靠多路測(cè)溫電路中放大器的共模抑制比并不能保證在惡劣的工業(yè)使用環(huán)境中達(dá)到穩(wěn)定的噪聲抑制效果。要想避免多余噪聲信號(hào)的傳播，在熱電偶測(cè)溫放大器輸入端加入低通濾波器，并對(duì)低通濾波器中各組件進(jìn)行正確匹配和調(diào)節(jié)是至關(guān)重要。

熱電偶傳感器通過(guò)一個(gè)低通濾波器網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)連接至一個(gè)高阻抗儀表放大器，而低通濾波器網(wǎng)絡(luò)由RSX和CCM組成。理想情況下，如果每條輸入支線的CCM都完全匹配，則兩個(gè)輸入端共有的噪聲量將在到達(dá)INA輸入端以前會(huì)相應(yīng)降低。但是，目前市場(chǎng)中的電容都有5%～10%的典型容差，如果每條支線的CCM反向不匹配，總動(dòng)容差便會(huì)高達(dá)20%。這種輸入不匹配形成截止頻率誤差，使共模噪聲差動(dòng)進(jìn)入放大器輸入，之后被增益輸出，成為誤差電壓。因此，為了避免差動(dòng)噪聲進(jìn)入放大器輸入端，需要在每一條熱電偶溫度信號(hào)采集通道處的濾波電路基礎(chǔ)上加上一個(gè)差動(dòng)電容。

2.2 信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路能將冷端溫度補(bǔ)償電路以及S型熱電偶溫度采集電路采集的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理與數(shù)字轉(zhuǎn)換，是后續(xù)主控模塊處理的基礎(chǔ)，其核心是熱電偶信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路以及冷端補(bǔ)償信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路。

2.2.1 熱電偶信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

利用S型熱電偶進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，輸出的熱電勢(shì)較小。在0～1600℃的測(cè)溫范圍內(nèi)，輸出的熱電勢(shì)為0～16.771mV。選用的信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換芯片為ADS1232，參考電壓為2.5 V，因此在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要對(duì)熱電偶采集的熱電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行放大。熱電偶測(cè)溫通道共有16路通道，當(dāng)利用ADS1232進(jìn)行信號(hào)調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，為了保證信號(hào)處理的一致性，需要保證所有測(cè)溫通道都是經(jīng)過(guò)同一信號(hào)處理電路進(jìn)行放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換的，因此需要設(shè)計(jì)通道選擇電路，通過(guò)4片復(fù)用器HCF4052與排阻搭建。

2.2.2 冷端補(bǔ)償信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

冷端補(bǔ)償信號(hào)在冷端溫度補(bǔ)償電路中已經(jīng)通過(guò)LMP7704進(jìn)行了放大處理，因此在冷端信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路部分只需要對(duì)放大后的補(bǔ)償信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇24位芯片LTC2400。LTC2400內(nèi)部集成了高精度振蕩器，F(xiàn)O引腳接VCC時(shí)使用內(nèi)部振蕩器，可以對(duì)輸入信號(hào)中低頻干擾以及諧波進(jìn)行抑制。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸電路設(shè)計(jì)

一般使用EEPROM或Flash存儲(chǔ)器來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非易失性存儲(chǔ)。EEPROM不需要擦除時(shí)間，而Flash存儲(chǔ)器雖然有較長(zhǎng)的擦除時(shí)間，但讀寫(xiě)速度快。多路熱電偶測(cè)溫電路需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量較大，當(dāng)需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行非易失性存儲(chǔ)時(shí)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)芯片相對(duì)有很高的性價(jià)比。因此存儲(chǔ)模塊選擇16位Flash存儲(chǔ)器芯片SST39VF1601。

選用FT232RL對(duì)USB傳輸模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。FT232RL為接口轉(zhuǎn)換芯片，可以實(shí)現(xiàn)USB到串行UART接口的轉(zhuǎn)換。WiFi模塊選擇WG219,WG219是一款基于ESP8266芯片的低功耗小尺寸UART-WiFi透?jìng)髂K,可以有效地避免干擾。

3 多項(xiàng)式分段擬合

S型熱電偶在0～1600℃的測(cè)溫范圍內(nèi)溫度信號(hào)與輸出熱電勢(shì)信號(hào)不具有嚴(yán)格的線性關(guān)系，因此需要對(duì)S型熱電偶的溫度與輸出電壓關(guān)系式進(jìn)行分段線性擬合，按照0～100℃、100～200℃、200～400℃、400～600℃、600～700℃、700～900℃、900～1100℃、1100～1600℃對(duì)S型熱電偶的溫度與輸出電壓關(guān)系式進(jìn)行擬合，分段擬合函數(shù)如表1所示，每個(gè)關(guān)系式的擬合度達(dá)到0.999以上。

表1 S型熱電偶分度表擬合函數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了以S型熱電偶為溫度傳感器的多路熱電偶測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)方法。為提高測(cè)溫精度設(shè)計(jì)了薄膜鉑電阻冷端補(bǔ)償電路、濾波電路以及信號(hào)調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。為滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸要求，對(duì)存儲(chǔ)器以及信號(hào)傳輸模塊進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。同時(shí)，針對(duì)S型熱電偶進(jìn)行了多項(xiàng)式分段擬合，使擬合函數(shù)的擬合度在0.999以上。通過(guò)測(cè)試表明，多路熱電偶測(cè)溫電路在0～1600℃溫度范圍內(nèi)，測(cè)溫的絕對(duì)誤差小于1 ℃，相對(duì)誤差小于0.2%。