1、高精度温度快速测量系统设计赵勇1一。伍先达I(1中国科学院合肥智能机械研究所 安徽合肥，230031)(2中国科学技术大学 安徽合肥，2 30027)摘要：介绍了一种高精度快速温度测量系统，实现对温度的实时测量。系统基于AT89C51单片机，应用了一种快速响应高精度热电偶作为温度测量端，采用高精度数字温度计DSl624测温作为热电偶的冷端补偿。对获得的数据进行数字滤波，同时实时显示，很好地解决温度快速测量问题。关键词：热电偶；温度测量：数字滤波Abstract：The paper introduces a fast high-accuragy temperature measuring sys
2、tem,measuring temperature in real timeThesystem,which is based on AT89C5 1 microcontroller,has employed a kind of quick-response and high-accuracy thermocouple tomeasure the temperatureIt also adopts the highaccuracy digital thermometer DSl624 to measure the temperature ofthe referenceend ofthe ther
3、mocoupleFilter the data received digitally,and display it in real timeThe system is a 900d solution to the problemofhow to measure the temperature fastKey words：Thcrmocouple；Temperature measure；Digital filter中国分类号：TK311 文献标识码：A 文章编号：1001-9227(2008)0621_030前盲温度是反映物体冷热状态的物理参数，对温度的测量在工农业生产、国防、科研等领域中有广泛
4、地应用。在某些特殊的场合对温度的检测速度有很高的要求，例如：在测量汽车发动机吸入空气的温度的时候，就要求热响应时间小于1s；航天飞机的主发动机的温度测量要求04s内完成等。通常用来测量温度的传感器有热电阻温度传感器、热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器等几种。这些常用温度传感器一般在测量同体温度和液体温度时具有较快的响应速度。但在气体温度测量时候，由于温度传感器自身的热滞特性，而气体传热过程又比较缓慢，气体温度测量就有很大滞后。工业常用的精度较高的温度传感器有铂热电阻、半导体温度传感器等。铂热电阻具有温度测量范围大、重复性好、精度高等特点，但是响应不是很快，特别是在对气体温度测量时至少要几秒钟，
5、在某些工作环境比较特殊的场合，如高压环境下，还需使用铠装的铂热电阻，更是延缓了热响应速度。半导体温度传感器分热敏电阻和PN结型温度传感器两种。热敏电阻非常适合对微弱温度变化的测量，但是缺点是非线性严重；PN结型的特点是体积小、线性输出、精度高，但是不能使用在液体环境，对气体温度变化响应也较慢。所以常用温度传感器一般都存在着对气体温度变化响应较慢的问题。在对气体温度实时性测量要求比较高的系统，运用常用温度测量方法很难做到对温度的快速测量，对系统的精度影响就很大。收稿日期：200806一16针对以上情况，本文设计了一种基于AT89C51单片机，应用快速响应熟电偶的温度快速测量系统。系统采用的热电偶
6、具有快速测温的特点，使用精度较高的T型热电偶，冷端误差可以通过冷端温度补偿消除。由于在实际应用中，温度变化范围不是很大，所以系统具有很高的精度。因此系统能够实现对固体表面、液体和气体温度的高精度快速测量。1 温度传感器热响应特性传感器的时间常数是描述传感器动态特性的一个特征参数，反映了传感器对热的敏感程度。时间常数同时是传感器的一个重要技术指标，也是影响测温速度的主要因素。假设将温度传感器从环境温度T。放到环境温度T中(T。T，)，传感器由于散热而温度逐渐降低，直到达到温度T，假定这个过程花费时间，温度传感器的耗散热量为W，传感器耗散引起温度下降兀则有如下关系：W，=H(To-T)，W。=CT
7、，W=W。其中，w和W。表示耗散的热量，H为耗散系数(WK)，C为传感器的热容量(IK)。当f=导=f时，手j=0632。其中，f为温度传感器的时间常数，表示从起始温度开始温度降低了632所需的时间，T为f时刻的温度。为了达到快速测温的目的，就要减小f的值，而r由H和C确定，H和C取决于温度传感器自身的材料、结构、几何尺寸等固有特性。本系统充分考虑到温度传感器的热响应特性，采用NANMAC公司的C2系列热电偶。电偶丝采用精度较高的T型21万方数据高精度温度快速测量系统设计 赵勇，等偶，相对精度为0375，在实际使用中，温度变化范围为一1050，所以具有较高的精度。热电偶的敏感结为暴露式的，也就
8、是将热电偶结置于探头端面上直接暴露在周围环境中，从而提高了响应速度，保证了响应时间为毫秒级。暴露式热电偶结在测量过程中会受侵蚀或磨损。但它会在受侵蚀的情况下自动更新其热电偶结，从而保证了热电偶工作精度和寿命。2系统硬件组成该系统采用AT89C51微控制器，通过精密仪表放大电路将热电偶工作端产生的微弱电压信号进行放大，送到MAXl94进行AD转换，同时考虑热电偶的冷端温度补偿消除冷端误差，进而将当前温度在LED上实时显示出来实现温度的动态显示(系统硬件框图如图l所示)。AT89C51是一种低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的flash只读程序存储器和128KB的RAM
9、，功能强大。下文将主要从信号采集、热电偶冷端补偿、AD转换及温度显示三个方面来对系统硬件进行具体描述。盯粥”图l系统硬件框图21信号采集用热电偶来测量温度，需要使用温度补偿导线将热电偶连入信号采集电路。系统选用T型热电偶，所以选用T型的高精度屏蔽型温度补偿导线。由于热电偶工作端产生信号一般比较微弱，采集时需要考虑信号的抗干扰和放大。在这里选用精密仪表差分放大器INAl28。INAl28是低功耗、高精度的通用仪表放大器，反馈电流输入电路即使在高增益条件下也可提供较宽的带宽。单个外部电阻可实现从l至10000的任一增益选择。INAl28用激光进行修正微调，具有非常低的偏置电压、温度漂移和高共模抑制
10、比(INAl28内，部结构及电路连接如图2所示)。图2中精密电阻R。用来调节增益G，则有如下关系：，50kQu剐+丁Vo=G(瞄一)。22热电偶冷端补偿热电偶传感器主要按照热电效应来工作。将两种不同的导体A和B连接起来，组成个闭合回路，即构成感温22元件，如图3所示。当导体A和B的两个接点l和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势。因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象即称为热电效应，也叫温差电效应。热电偶就是利用这一效应进行工作的。热电偶的一端是将A、B两种导体焊接在一起，称为工作端，置于温度为t的被测介质中。另一端称为参比端或冷端，放于温度为t。的恒定温度下。当工作端的被测介质温度发生变
11、化时。热电势随之发生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。图2 INAl28内部结构及电路连接，。=tO 28图3热电偶工作原理图图4 DSl624电路连接图热电偶两端的热电势差表示为：Et=E(t)一E(t)。式中，E热电偶的热电势，E(t)温度为t时的热电势，E(t。)温度为t。时的热电势。当参比端的温度t恒定时，热电势只与工作端的温度有关，即E+=f(t)。系统选用带有存储器功能的数字温度计DSl624来测量t。端的温度。DSl624属于PN结型半导体温度传感器，虽然在气体温度测量时响应较慢，但是t。端的温度比较稳定，而且DSl624是集成了测量系统和存储器于一体的芯片，兼容
12、12C总线，数字接口电路简单，SDA端和SCL端与单片机直接连接(如图4所示)，其数字温度输出达13位，精度很高，可以达到00312512。因此，用DSl624测量冷端的温度，不万方数据王I自动I化I与r仪器HI仪r-鲞2008笙第兰i塑“(总-笺“i坚ioi塑。-i) I一_但具有较高的精度，而且简化了电路。由于DSl624本身具 和Tim两个数组中，m的大小根据分度表由需要的量程来决有很高的精度，查热电偶分度表时我们通过线性插值算法来提高精度，从而得到较精确的值，这部分内容将在下面软件设计中热电偶冷端温度补偿算法部分详细描述23D转换及温度显示AD采用美信公司的MAXl94，它是一种14位
13、逐次逼近型串行输出的模数转换器，具有高速度、高精度、低功耗、价格低等特点。MAXl94带有采样保持电路，具有单极性和双极性两种输入和三态串行数据输出方式，能够满足最高采样频率为85kPS的转换，最快转换时间为94 IIs。LED显示选用美信公司MA)(7219显示驱动，它采用3线串行接口与单片机相连传送数据，用户能方便修改其内部参数，以实现多位LED显示(电路图如图5所示)。飘钟 1512砧lm Dsl郅2 Dsl，12图5 MAX7219电路图3软件设计本系统的主程序比较简单，主要就是AD转换并将温度值在LED上显示出来。下面重点描述一下数字滤波和热电偶冷端温度补偿算法。31数字滤波由于外界
14、干扰或某些不可预知的因素，模拟量容易受到干扰，这样经AD转换后的结果可能偏离真实值，会出现一些随机的误差，如果只采样一次，无法确定结果是否可信。这就需要通过多次采样得到一个AD转换的数据序列，利用软件算法处理数据得到一个可信度较高的结果，实现数字滤波。数字滤波一般有：中值滤波、算术平均滤波、去极值均值滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波等。在本系统中采用的是去极值均值滤波，程序流程图如图6所示。算法原理如下：连续采样n次温度信号对应的电压采样值，找出其中最大值和最小值，将其除去，算出剩下数据的和，按n一2个采样值求平均，即有效采样值。32热电偶冷端温度补偿算法系统选用带有存储器功能的数字温度计DS
15、l624来测量冷端的温度，通过温度补偿算法来实现热电偶的冷端温度补偿。参照图3，其补偿原理如下：利用DSl624来测出温度t。，代入热电偶分度表中，查表反求出E(t。)，再加上热电偶的热电势E，进而得到E(t)，然后通过分度表查表得到系统测量的温度值。根据T型热电偶的分度表，在程序中我们可以将E(t)和t的值，根据从小到大依次对应存放于Elm定，例如：Ei对应的温度为Ti，i0。m，反之亦然。下面以知道t。查表反求E(t。)为例，说明查表过程。当Tit。Ti+1，采用线性插值算法，得到：(to)=LI卅卉(州卜刚)同样，由E(t。)得到E(t)后，可以用线性插值查表得到最终的t的值。图6数字滤
16、波流程图4结束语本文设计的温度快速测量系统除了能够快速测温和实时显示，还可以通过串口实现与上位机通信，由于篇幅关系，这里就不详细描述。在实际应用中，用此温度快速测量系统测量标况下密封容器内气体温度，响应时间达到850ms，精度为0225，很好地解决了常用温度测量系统存在的对气体温度变化响应较慢的问题。系统已应用于实际产品中，从实际应用看，该系统可以对温度实时测量，大大提高了产品的测控精度和性能。参考文献1 刘君华，申忠如等现代测试技术与系统集成M北京：电子工业出版社。20052 马忠梅，张凯等单片机的C语言应用程序设计M北京：北京航空航天大学出版社，20033 李吉林常用热电偶、热电阻分度表M
17、北京：中国计量出版社，199224 李福山，汪金龙热电偶测温的冷端温度补偿技术及其实现J郑州工学院学报，1995125 黄俊钦等新型传感器原理M北京：航空工业出版社，19916 赵纪文传感器与应用电路设计M北京：科学出版社，200223万方数据高精度温度快速测量系统设计作者： 赵勇， 伍先达， ZHAO Yong， WU Xian-da作者单位： 赵勇,ZHAO Yong(中国科学院合肥智能机械研究所,安徽合肥,230031;中国科学技术大学,安徽合肥,230027)， 伍先达,WU Xian-da(中国科学院合肥智能机械研究所,安徽合肥,230031)刊名： 自动化与仪器仪表英文刊名： AU
18、TOMATION & INSTRUMENTATION年，卷(期)： 2008，“(6)被引用次数： 0次参考文献(6条)1.刘君华.申忠如 现代测试技术与系统集成 20052.马忠梅.张凯 单片机的C语言应用程序设计 20033.李吉林 常用热电偶、热电阻分度表 19924.李福山.汪金龙 热电偶测温的冷端温度补偿技术及其实现 1995(12)5.黄俊钦 新型传感器原理 19916.赵纪文 传感器与应用电路设计 2002相似文献(10条)1.期刊论文 郝庆瑞.姜亚军 溅射薄膜热电偶在非金属结构表面瞬态温度测量中的应用研究 -宇航计测技术2010,30(2)介绍了利用薄膜成型技术,在非金属试验件
19、表面用真空离子溅射技术制作薄膜热电偶,进行表面温度测量,并探讨薄膜热电偶在瞬态加热条件下与粘贴的常规热电偶在测温结果上的区别,为今后将薄膜制作技术应用于温度、热流密度及高温应变测量打下基础.2.期刊论文 刘志新.张大卫.LIU Zhi-xin.ZHANG Da-wei 基于夹丝热电偶法的高速切削温度测量 -组合机床与自动化加工技术2006,“(4)切削温度与刀具磨损、工件加工表面质量及加工精度密切相关,用红外辐射、超热辐射等非接触式的测温方法只可以实现局部切削温度的间接测量.文章设计一种利用夹丝热电偶实现高速切削过程瞬时切削温度测量的直接接触式计算机辅助测温系统,该系统利用PCI-1200卡采
20、集热电偶测温装置传输的数据,通过Labview软件分析处理,具有显示温度波形曲线、标定热电偶曲线能力.最后通过高速切削淬硬钢试验测量了刀具/工件界面的瞬时温度,定性分析了切削速度、刀具磨损、加工参数对切削温度影响的变化规律.3.期刊论文 王京慧.Wang Jinghui 多点铠装热电偶在加氢反应器床层温度测量中的应用 -石油化工自动化2009,45(6)随着加氧装置大型化的发展及对产品质量要求的进一步提高,对反应器床层温度的精确测量和控制提出更高的要求.针对此种情况,分析了加氢反应器床层温度测景的重要性和测量特点,对比并分析了几种热电偶在测量反应器床层温度中的应用,着重介绍了多点铠装热电偶的优
21、点、结构、分类及工程应用需要注意的方面.多点铠装热电偶测量点数多、响应快、安全可靠、安装灵活的特点为全面准确地反映反应器的温度提供了好的选择,并在实际应用中取得良好的效果.4.学位论文 杨灿 气流温度测量用热电偶的设计和校准技术研究 2005气流温度是发动机工作过程中的重要参数之一。随着高性能航空发动机技术的发展，对气流温度测量的要求也越来越高。怎样才能精确地测得气流温度，为发动机的研制提供准确可靠的数据，成为当前关注的重点。本文就我们在气流温度测量的总温热电偶的设计方法和校准技术两个方面上进行深入而细致的研究，力求提高热电偶的设计水平，掌握热电偶的修正方法。在发动机研制试验过程中，气流温度的
22、测量能满足测试技术要求的精度。本文就中小型发动机测量的特点，从热电偶的机械特性和使用特性上考虑，对热电偶的设计方法进行探讨，并以实例说明了发动机气流温度测量的热电偶的设计过程。本文着重论述了在发动机研制试验过程中常用热电偶的恢复特性。用试验的方法，确定了几种屏蔽和无屏蔽热电偶传感器的恢复修正。传感器为成型结构，它们采用的是K型（镍铬镍硅）偶丝，传感器试验的马赫数范围为0.2至0.9。文中总结的图表比较了各种尺寸的传感器的特性，以便有助于选择特定传感器的类型和尺寸。5.期刊论文 王金喜.王秀丽.WANG Jin-xi.WANG Xiu-li 恒温箱在热电偶温度测量中的应用与研制 -电力学报200
23、8,23(5)热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一,能够很好地满足温度传感器的要求.它可将温度转化成电量信号,使温度的测量、控制及对温度信号的放大变换等都非常方便,所以适用于远距离测量和自动控制.在热电偶原理的基础上,介绍了恒温控制葙的设计思路,并研制了样机.测试结果表明,所研制的样机具有体积小、可靠性高等优点,完全可以实现恒温控制.6.期刊论文 刘献礼.袁哲俊.陈波.孟安.陈立国.严复钢.李振加.Liu Xianli.Yuan Zhejun.Chen Bo.Meng An.ChenLiguo.Yan Fugang.Li Zhenjia 切削温度测量的等效热电偶法 -计量学报1999,20(
24、3)研究了解决切削温度测量时冷端温度补偿的等效热电偶法的原理,推导了计算公式,并通过实验证实了此方法的正确性和精度,同时应用此方法测量了PCBN刀具切削淬硬轴承钢时切削温度的变化规律.7.会议论文 李付国.黄吕权 锻模瞬态温度测量用薄膜热电偶的研制 19948.期刊论文 瞿江峰 一种基于热电偶的温度测量的线性拟合方法 -中国西部科技2010,9(26)用热电偶作为温度传感器,在应用中要进行参考端补偿及线性化处理.过去常规的方法是靠硬件补偿和校正非线性,误差较大,现今以89S51MCU为核心的水浴温度控制系统,采用线性拟合算法来处理这两个问题,可以达到相当高的测量准确度,从而使水浴温度恒定.9.
25、会议论文 朱志强.高胜.章毛连.黄群英.吴宜灿.徐幼斌 聚变堆液态金属锂铅实验回路温度测量与控制方法探索 2007液态金属锂铅实验回路是研究聚变堆液态金属包层技术独一无二的实验平台。为了探索锂铅回路高温锂铅温度测量与控制方法,对316L不锈钢管道进行加热,并设计了其温度控制系统,以测试K型铠装热电偶不同工作端形式的测温效果。发现同一截面处露端式热电偶温度测量比接壳式(或绝缘式)更接近于实验设定温度,其温度曲线幅度波动小。因此采用露端式热电偶测温方法及加热温控和数据采集系统应用于中国第一个热对流锂铅实验回路DRAGON-I,其温度测量和控制系统完全满足锂铅回路的要求。10.期刊论文 朱志强.高胜
26、.章毛连.黄群英.吴宜灿.徐幼斌.ZHU Zhi-qiang.GAO Sheng.ZHANG Mao-lian.HUANGQun-ying.WU Yi-can.XU You-bin 聚变堆液态金属锂铅实验回路温度测量与控制方法探索 -计量学报2007,28(z1)液态金属锂铅实验回路是研究聚变堆液态金属包层技术独一无二的实验平台.为了探索锂铅回路高温锂铅温度测量与控制方法,对316L不锈钢管道进行加热,并设计了其温度控制系统,以测试K型铠装热电偶不同工作端形式的测温效果.发现同一截面处露端式热电偶温度测量比接壳式(或绝缘式)更接近于实验设定温度,其温度曲度波动小.因此采用露端式热电偶测温方法及加热温控和数据采集系统应用于中国第一个热对流锂铅实验回路DRAGON-I,其温度测量和控制系统完全满足锂铅回路的要求.本文链接：http:/
