智能測(cè)溫系統(tǒng)中熱電偶的冷端溫度補(bǔ)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)溫范圍寬,精度高等優(yōu)點(diǎn),所以在工業(yè)溫度測(cè)量中廣泛應(yīng)用。但在熱電偶的使用中,需　　解決兩方面的問題:一是需對(duì)熱電偶的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。二是對(duì)熱電勢(shì)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(bǔ)償器MAX6675來實(shí)現(xiàn)冷端的溫度補(bǔ)償,用二　　次插值的方法對(duì)熱電勢(shì)和溫度的非線性進(jìn)行處理,實(shí)踐證明,該方法精度高、可靠性好。

2　熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電路

具有冷端補(bǔ)償?shù)膯纹琄型熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675內(nèi)部自帶冷端溫度補(bǔ)償、線性校正、A/D轉(zhuǎn)換器、熱電偶斷線檢測(cè)等功能,它將溫度測(cè)量值轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能識(shí)別的16　　位二進(jìn)制數(shù)字溫度讀數(shù),其測(cè)溫范圍為0~1023.75℃,轉(zhuǎn)換精度為0.25℃,冷端溫度的補(bǔ)償范圍為-20~+85℃,工作電壓為3.0~5.5V,當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí),MAX6675仍能精確檢測(cè)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(jī)連接非常方便。這里以AT89C52單片機(jī)為例,給出MAX6675與單片機(jī)接口構(gòu)成的測(cè)溫電路,接口如圖1所示[1]。

3　軟件的非線性處理

對(duì)熱電偶得到的非線性信號(hào)的處理采用查表和程序計(jì)算的方法來解決,由擬和理論可知,對(duì)非線性信號(hào)可用多項(xiàng)式y(tǒng)=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn來擬和,且多項(xiàng)式次數(shù)越高,精度也越高。但在實(shí)際的智能測(cè)溫系統(tǒng)中,由于受速度和存儲(chǔ)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(shì)與溫度曲線,提出用二次插值的方法(即取多項(xiàng)式前三項(xiàng))來對(duì)非線性進(jìn)行處理,其方法是先在存儲(chǔ)器中存入熱電勢(shì)和溫度的序列表(e0, t0)(e1, t1)(e2, t2)(e3, t3)……(en, tn)對(duì)于任意的熱電勢(shì)e,假設(shè)通過程序可判別它在熱電勢(shì)和溫度序列中的位置為ei≤e≤ei+1≤ei+2(0≤i≤n-2)則對(duì)應(yīng)的溫度t可由下式計(jì)算

出溫度值。由于在(ei,ei+2)內(nèi),將信號(hào)擬合成拋物線,更接近于電勢(shì)與溫度的實(shí)際,所以擬和的精度大大的提高,同時(shí)在相同的精度下,變量序列的步長取得相對(duì)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(chǔ)一個(gè)熱電勢(shì)值(uV),若測(cè)溫范圍為-50~+1100℃,存儲(chǔ)的熱電勢(shì)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(duì)部分熱電勢(shì)的計(jì)算結(jié)果,由此可以看出,二次插值精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一維插值精度。

4　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后,首先將加熱爐等設(shè)備的設(shè)定溫度通過鍵盤接口送入單片機(jī)的寄存器,然后讀取MAX6675的測(cè)溫?cái)?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(jì)算出當(dāng)前溫度值,并與系統(tǒng)設(shè)定溫度進(jìn)行比較,若當(dāng)前溫度是設(shè)定溫度則顯示,若超出設(shè)定溫度,則驅(qū)動(dòng)溫度控制電路動(dòng)作。軟件程序流程如圖2所示。

5　結(jié)束語

用MAX6675作為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償器,不僅電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,而且轉(zhuǎn)換精度高,用二次插值理論對(duì)非線性處理精度高,誤差小于0.1℃,應(yīng)用本方法在實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)2KW電阻爐的爐溫控制測(cè)試,效果很好,如果采用DSP芯片效果會(huì)更好。此方法可廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量和工業(yè)儀表等領(lǐng)域的溫度測(cè)量。