熱流傳感器信號(hào)采集
1 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/104407.htm熱流又稱熱流密度,指單位時(shí)間內(nèi)單位面積所傳遞的熱量(矢量)。其表征就是轉(zhuǎn)移的熱量、傳遞的大小和方向,而熱流傳感器(熱流計(jì)或熱流量計(jì))就是測(cè)量熱流大小的元件。熱流的測(cè)試方法很多,有瞬態(tài)法,水卡法等。瞬態(tài)法熱流傳感器的工作原理是通過(guò)熱電效應(yīng),產(chǎn)生與熱流值存在一定關(guān)系的電壓。Gardon型熱流傳感器就是一種瞬時(shí)法測(cè)量。
在研究Gardon型熱流傳感器時(shí)發(fā)現(xiàn),熱流傳感器的輸出與其熱沉體的溫度有關(guān),當(dāng)熱沉體溫度上升到250°C,傳感器的輸出與熱流密度成非線性。研究熱沉體的溫度與傳感器的輸出關(guān)系,有助于拓寬傳感器的測(cè)試時(shí)間。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是在采集傳感器信號(hào)的同時(shí)。采集熱沉體溫度信號(hào)。
2 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)
該采集系統(tǒng)的信號(hào)有兩組:一組是熱流密度值對(duì)應(yīng)的電壓值,即測(cè)量信號(hào);一組是由監(jiān)測(cè)溫度的熱電偶輸出電壓值,即監(jiān)測(cè)信號(hào)。而對(duì)于兩組信號(hào)的采集與處理,采用不同方法:測(cè)試信號(hào)采用專用的放大器和濾波器;監(jiān)測(cè)信號(hào)則采用熱電偶的專用處理器件。這樣采集系統(tǒng)功能齊全,體積小,使用方便。
采集系統(tǒng)要與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信,且上位機(jī)要控制采集卡的工作狀態(tài)(開(kāi)始工作,停止工作,讀數(shù)等)。所以采集系統(tǒng)與上位機(jī)的接口采用RS-232串口。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)包含測(cè)試信號(hào)調(diào)理、溫度信號(hào)處理、控制、存儲(chǔ)、通信以及電源等模塊。以下主要介紹測(cè)試信號(hào)調(diào)理及溫度信號(hào)處理模塊。
2.1 測(cè)量信號(hào)調(diào)理模塊
Gardon型熱流傳感器,其輸出的熱電勢(shì)與入射熱流成正比。由于實(shí)際輸出的熱電勢(shì)比較小,不一定滿足單片機(jī)采樣要求。因此,必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和中心電平的調(diào)整。熱流傳感器模擬信號(hào)經(jīng)放大、濾波等處理后,才能進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,其測(cè)試信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。
熱流傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)圖2測(cè)試信號(hào)調(diào)理電路后,信號(hào)放大、濾波性能良好,畸變率小;而且使用MAX291濾波器,可以增加信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性。避免分立元件的各種誤差、漂移影響。圖3是調(diào)理電路濾波前后效果對(duì)比圖。
2.2 溫度信號(hào)處理模塊
監(jiān)測(cè)溫度信號(hào)為K型熱電偶的輸出信號(hào)。而熱電偶信號(hào)調(diào)理電路包含有冷端補(bǔ)償,線性化,放大電路。經(jīng)過(guò)調(diào)理后的熱電偶信號(hào)再送往A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。據(jù)資料顯示,這3部分電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試,難度過(guò)高且所占體積也不小,所以都不是設(shè)計(jì)首選。因此對(duì)熱電偶信號(hào)的調(diào)理及采集采用專用器件MAX6675。MAX6675是Maxim公司生產(chǎn)的帶有冷端補(bǔ)償、線性校正、熱電偶斷線檢測(cè)的串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其溫度分辨能力為0.25℃,冷端補(bǔ)償范圍為-20℃~十80℃,工作電壓為3.0~5.5 V。該器件不僅大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),縮小溫度信號(hào)處理模塊的體積,而且可直接將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12bit的數(shù)字量,而且接口簡(jiǎn)單,采用SPI串行接口,方便與單片機(jī)通信。該器件采用SO-8封裝,體積小,可靠性高。圖4為單片機(jī)控制MAX6675的輸出波形及時(shí)序。
3 軟件控制
使用C8051單片機(jī)作為控制器。控制測(cè)量信號(hào)的采集及與MAX6675的接口,且通過(guò)RS-232串口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,上位機(jī)通過(guò)串口向采集系統(tǒng)發(fā)送命令,控制其工作的狀態(tài)。同時(shí)采集系統(tǒng)還帶有1 GB的Flash,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。該系統(tǒng)的程序流程如圖5所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
系統(tǒng)上電工作后,通過(guò)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作,系統(tǒng)啟動(dòng)MAX6675的控制,并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。圖6為某次測(cè)試實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。
該組數(shù)據(jù)通過(guò)相關(guān)的畫(huà)圖軟件,將得到在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中熱沉體溫度的曲線,如圖7所示,其測(cè)試時(shí)間為1 200 s。
5 結(jié)論
該熱流傳感器采集系統(tǒng)較好完成所提出的設(shè)計(jì)任務(wù)。由于采用集成化思想,減小系統(tǒng)體積。在熱流傳感器溫度的監(jiān)測(cè)方面,系統(tǒng)精度高,再現(xiàn)傳感器工作過(guò)程中的溫度變化,并通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度修正傳感器輸出,從而拓展傳感器的測(cè)試時(shí)間。
評(píng)論