熱電偶冷端溫度的數(shù)字化實(shí)時(shí)處理

Computer RT Correction for Thermocouple Cold Junction Temperatur e

GUO Younan

(Department of Electrical Information Engineering, Jiangsu Teachers College of Technology, Changzhou 213001, China)

　　Key words: thermocouple; cold junction temperature compensation;digital sensor; real time correction

　　在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，測(cè)量端置于被測(cè)介質(zhì)中，而冷端溫度一般不為0℃，其大小隨周圍環(huán)境溫度變化。如果直接按照冷端溫度為0℃時(shí)的分度表來(lái)求得測(cè)試溫度，勢(shì)必產(chǎn)生很大誤差。
　　傳統(tǒng)的辦法，一是使用補(bǔ)償導(dǎo)線，將冷端延長(zhǎng)到遠(yuǎn)離熱源的恒溫室。測(cè)出冷端溫度，根據(jù)熱電偶中間溫度定律，算出對(duì)應(yīng)0℃冷端時(shí)的熱電勢(shì)：
　
其中eAB(T，T0)是實(shí)測(cè)的熱電勢(shì)，eAB(T0，0)根據(jù)冷端溫度T0計(jì)算或查表所得。據(jù)此可算得eAB(T，0)，從而可得被測(cè)溫度T。
　　二是采用電橋補(bǔ)償法，在冷端接入補(bǔ)償電橋，用外加的能隨冷端溫度變化的補(bǔ)償電勢(shì)，來(lái)補(bǔ)償由于冷端溫度變化所引起的測(cè)試誤差。該法可用于冷端溫度變化的場(chǎng)合。
　　由于補(bǔ)償導(dǎo)線材料或補(bǔ)償電橋中的溫敏元件其熱電特性與熱電偶的熱電特性僅能作某種程度上的近似，因此其補(bǔ)償范圍與補(bǔ)償精度都不能滿足高精度測(cè)量的要求。
　　微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得冷端溫度的數(shù)字化實(shí)時(shí)處理成為可能。筆者利用微控制器和集成溫度傳感器，對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，使熱電偶的測(cè)溫精度在全范圍內(nèi)達(dá)到±0.5℃。本文以K型熱電偶為例，介紹該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

　　本設(shè)計(jì)采用89C51作為微控制器，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)經(jīng)過(guò)精密運(yùn)算放大器7650放大后，送四位半雙積分AD轉(zhuǎn)換器ICL7135轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入89C51。冷端溫度的測(cè)試采用集成溫度傳感器DS18B20，該傳感器為數(shù)字傳感器，采用單總線協(xié)議，用一根線與計(jì)算機(jī)連接。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　(1)測(cè)量端溫度。5位數(shù)字顯示，單位℃；(2)冷端溫度。4位數(shù)字顯示，單位℃；(3)熱電勢(shì)eAB(T，T0)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量。5位數(shù)字顯示，單位mV。
　　用顯示選擇按鈕來(lái)進(jìn)行顯示選擇。指示燈指示當(dāng)前顯示的數(shù)字。缺省狀態(tài)顯示測(cè)量端溫度。
　　計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程如下：
　　首先通過(guò)AD7135，采集熱電偶在測(cè)量端溫度T和冷端溫度T?0時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)數(shù)據(jù)eAB(T，T0)。其次，由DS18B20測(cè)得冷端溫度T0，然后，通過(guò)軟件查詢分度表，得到對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB?(T0，0)，再根據(jù)中間溫度定律，算得：
　
　　最后根據(jù)分度表查得eAB(T，0)對(duì)應(yīng)的溫度T。

　　ICL7135是常用的四位半雙積分AD轉(zhuǎn)換器，輸出定時(shí)波形如圖2所示。ICL7135工作時(shí)，當(dāng)R/H腳為“1”，7135處于連續(xù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。每40002個(gè)時(shí)鐘周期完成一次AD轉(zhuǎn)換，以4位二進(jìn)制形式的BCD碼輸出(實(shí)際上是上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果)。同時(shí)輸出各位的位同步選通信號(hào)：D5，D4，D3，D2，D1。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果以動(dòng)態(tài)掃描方式輸出。即當(dāng)選通信號(hào)D5=“1”時(shí)，BCD輸出為萬(wàn)位。當(dāng)D4=“1”時(shí)，BCD輸出為千位……，其余類推。數(shù)字選通信號(hào)STB產(chǎn)生的負(fù)脈沖可作為AD轉(zhuǎn)換的結(jié)束信號(hào)，向微控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求。在中斷服務(wù)程序中，首先判斷最高位的位選信號(hào)D5是否有效，若無(wú)效則等待。當(dāng)D5有效后將此時(shí)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上的4位BCD碼讀入內(nèi)存作為萬(wàn)位。接下來(lái)再判千位的位選通脈沖D4是否有效，無(wú)效等待，有效則讀入數(shù)據(jù)作為千位存內(nèi)存，其余類推。所有5位數(shù)讀完以后，中斷返回。

　　冷端溫度的測(cè)量采用美國(guó)DALLAS公司的DS18B20集成傳感器。該傳感器有如下特點(diǎn)：
　　(1)采用單總線協(xié)議，即只要一個(gè)接口引腳即可通信。(2)不需要外部元件。(3)可用數(shù)據(jù)線供電。測(cè)量范圍從-55℃到+125℃。(4)以9位數(shù)字量輸出溫度數(shù)據(jù)。(5)數(shù)字增量值為0.5℃。(6)轉(zhuǎn)換時(shí)間為100ms。(7)具有用戶可定義的溫度報(bào)警設(shè)置。
　　對(duì)DS18B20的操作是通過(guò)控制命令來(lái)進(jìn)行的。DS18B20有自己的指令集。共有6種控制命令.用戶可用這些指令進(jìn)行有關(guān)的讀/寫操作。DS18B20的溫度值有9位，以1/2℃ LSB形式表示。DS18B20內(nèi)有9個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)暫存存儲(chǔ)器，字節(jié)0和字節(jié)1存放測(cè)得的溫度值。低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。圖3是DS18B20測(cè)溫程序的流程圖。