智能測溫系統(tǒng)中熱電偶的冷端溫度補償和非線性處理

溫度在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是用的最多的熱工量,熱電偶作為一種接觸式溫度傳感器由于其結構簡單,測溫范圍寬,精度高等優(yōu)點,所以在工業(yè)溫度測量中廣泛應用。但在熱電偶的使用中,需　　解決兩方面的問題:一是需對熱電偶的冷端進行溫度補償。二是對熱電勢和溫度的非線性處理。本文利用美國MAXIM公司生產(chǎn)的K型溫度補償器MAX6675來實現(xiàn)冷端的溫度補償,用二　　次插值的方法對熱電勢和溫度的非線性進行處理,實踐證明,該方法精度高、可靠性好。

2　熱電偶冷端溫度補償電路

具有冷端補償?shù)膯纹琄型熱電偶放大器與數(shù)字轉換器MAX6675內(nèi)部自帶冷端溫度補償、線性校正、A/D轉換器、熱電偶斷線檢測等功能,它將溫度測量值轉換為單片機能識別的16　　位二進制數(shù)字溫度讀數(shù),其測溫范圍為0~1023.75℃,轉換精度為0.25℃,冷端溫度的補償范圍為-20~+85℃,工作電壓為3.0~5.5V,當冷端溫度波動時,MAX6675仍能精確檢測熱端的溫度變化[2,4]。在使用中僅需2線SPI串行接口,與單片機連接非常方便。這里以AT89C52單片機為例,給出MAX6675與單片機接口構成的測溫電路,接口如圖1所示[1]。

3　軟件的非線性處理

對熱電偶得到的非線性信號的處理采用查表和程序計算的方法來解決,由擬和理論可知,對非線性信號可用多項式y(tǒng)=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn來擬和,且多項式次數(shù)越高,精度也越高。但在實際的智能測溫系統(tǒng)中,由于受速度和存儲容量的限制,只能采用有限次擬和。本文根據(jù)熱電偶的熱電勢與溫度曲線,提出用二次插值的方法(即取多項式前三項)來對非線性進行處理,其方法是先在存儲器中存入熱電勢和溫度的序列表(e0, t0)(e1, t1)(e2, t2)(e3, t3)……(en, tn)對于任意的熱電勢e,假設通過程序可判別它在熱電勢和溫度序列中的位置為ei≤e≤ei+1≤ei+2(0≤i≤n-2)則對應的溫度t可由下式計算

出溫度值。由于在(ei,ei+2)內(nèi),將信號擬合成拋物線,更接近于電勢與溫度的實際,所以擬和的精度大大的提高,同時在相同的精度下,變量序列的步長取得相對較大,這樣可大大壓縮表　　格的數(shù)據(jù)量,從而極大節(jié)省了內(nèi)存空間。本文以K型鎳鉻—鎳硅為例,每50℃存儲一個熱電勢值(uV),若測溫范圍為-50~+1100℃,存儲的熱電勢值依次為:-1889,0,2022,4095,6137,8137, 10151, 12207, 14292, 16395, 18513, 20640, 22772, 24902,27022,29128, 31214, 33277, 35314, 37325, 39310, 41269, 43202,45108[3]。表1是對部分熱電勢的計算結果,由此可以看出,二次插值精度遠遠高于一維插值精度。

4　軟件設計

系統(tǒng)啟動后,首先將加熱爐等設備的設定溫度通過鍵盤接口送入單片機的寄存器,然后讀取MAX6675的測溫數(shù)據(jù),16位的輸出數(shù)據(jù)高位在前,低位在后,然后用二次插值的方法計算出當前溫度值,并與系統(tǒng)設定溫度進行比較,若當前溫度是設定溫度則顯示,若超出設定溫度,則驅動溫度控制電路動作。軟件程序流程如圖2所示。

5　結束語

用MAX6675作為熱電偶的冷端溫度補償器,不僅電路結構簡單,而且轉換精度高,用二次插值理論對非線性處理精度高,誤差小于0.1℃,應用本方法在實驗室通過對2KW電阻爐的爐溫控制測試,效果很好,如果采用DSP芯片效果會更好。此方法可廣泛應用于電子測量和工業(yè)儀表等領域的溫度測量。