??? 摘　要：以單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能為基礎(chǔ)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合而不是理想集成運(yùn)放的計(jì)算公式為測(cè)量依據(jù)，提出了檢測(cè)環(huán)境電勢(shì)和現(xiàn)場(chǎng)電勢(shì)的新方法，并根據(jù)兩者之和即為熱電偶標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)這一基本依據(jù)，設(shè)計(jì)了基于R型熱電偶的測(cè)溫系統(tǒng)。由于采用了軟件對(duì)各電勢(shì)信號(hào)處理，大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)補(bǔ)償電路，使硬件設(shè)計(jì)僅包括環(huán)境溫度測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)電勢(shì)測(cè)量及單片機(jī)的信號(hào)處理三個(gè)模塊，并且顯著降低了成本。仿真表明，系統(tǒng)測(cè)溫精確，誤差小于5℃。
??? 關(guān)鍵詞：熱電偶；數(shù)據(jù)擬合；冷端補(bǔ)償；單片機(jī)；熱端溫度

?

??? 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度檢測(cè)、熱處理、鑄造等廣泛領(lǐng)域都需要用到溫度儀表來(lái)檢測(cè)溫度，在這些儀表中用得最多的就是熱電偶儀表。然而由于熱電偶的非線性特點(diǎn)，使得熱電偶的測(cè)溫電路非常復(fù)雜。例如為了實(shí)現(xiàn)非線性變化量的測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)溫儀表電路往往需要十余個(gè)集成運(yùn)放和近百個(gè)外圍電阻、電容等元件，不僅電路極為復(fù)雜，而且易受環(huán)境溫度影響，測(cè)量精度也難以提高。另一方面，由于用以計(jì)算溫度的熱電偶標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)是在其冷端溫度為0 ℃時(shí)測(cè)量的^[3]，而實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶冷端溫度往往不是0 ℃，受環(huán)境影響在-50 ℃～+50 ℃范圍內(nèi)變化，這種大幅度的環(huán)境溫度變化使熱電偶的測(cè)量產(chǎn)生巨大誤差，因此需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償。同樣，傳統(tǒng)儀表的冷端補(bǔ)償電路也存在電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn)。
??? 針對(duì)上述傳統(tǒng)測(cè)溫電路的缺點(diǎn)，可對(duì)簡(jiǎn)單模擬電路的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，將擬合結(jié)果交給數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大的單片機(jī)處理，就可以使電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，并獲得更高的檢測(cè)精度。本文在對(duì)大量試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)擬合和電路仿真的基礎(chǔ)上，提出了新的熱電偶測(cè)溫儀表設(shè)計(jì)方法，以期為該類(lèi)型測(cè)溫儀表的生產(chǎn)提供參考。
1 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償
??? 在電極材料和冷端溫度保持不變的情況下，熱電偶的熱電勢(shì)為熱端溫度(熱源溫度)的單值函數(shù)。通常工作溫度是由冷端為0 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)來(lái)反映，因此需要對(duì)非0 ℃的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。其依據(jù)是中間溫度定律^[1]：
??? 已知熱電偶的熱端溫度為T(mén)(℃)，冷端溫度為0 ℃時(shí)的熱電勢(shì)為E(標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì))。如果：(1)該熱端溫度為T(mén)_n(環(huán)境溫度)，冷端溫度為0 ℃時(shí)的熱電勢(shì)為E₁(環(huán)境電勢(shì)); (2)該熱電偶的熱端溫度為T(mén)，冷端溫度為T(mén)_n時(shí)的熱電勢(shì)為E₂(現(xiàn)場(chǎng)電勢(shì))。那么：
??? E=E₁+E_{2??????????????????????????????????????????} ?(1)
??? 根據(jù)該定律，只要設(shè)法測(cè)出環(huán)境電勢(shì)E₁，并將其與熱電偶測(cè)出的現(xiàn)場(chǎng)電勢(shì)E₂求和，即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)熱源溫度的標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)E，并由已知試驗(yàn)結(jié)果確定出熱端溫度T。
2? 環(huán)境電勢(shì)測(cè)量電路設(shè)計(jì)
??? 熱電偶的環(huán)境電勢(shì)是環(huán)境溫度的單值函數(shù)，所以只要利用熱電阻等溫度傳感器測(cè)出環(huán)境溫度就可以由已知的試驗(yàn)結(jié)果確定出環(huán)境電勢(shì)。對(duì)K型熱電偶，其環(huán)境電勢(shì)隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)的最小二乘擬合得到。其計(jì)算公式如下：
??? E₁=0.0392×T_n+0.0340??????????????????????? (2)
??? 式(2)中：E₁為熱電偶的環(huán)境電勢(shì)(mV); T_n為環(huán)境溫度(℃)。式(2)適用的溫度范圍為-50 ℃~+50 ℃。
??? 式(2)中的環(huán)境溫度T_n可由圖1所示的電路實(shí)現(xiàn)。其中R22、R16、R17和R18組成測(cè)溫電橋，其輸出信號(hào)接差動(dòng)集成運(yùn)放UA741。R18為WZB型鉑熱電阻(0℃時(shí)，標(biāo)稱電阻值為100Ω)，R16為68Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻。該電路可以獲得近似恒流法的線性輸出電壓V_i2和V_i3。顯然V_i3與熱電阻R18存在線性關(guān)系，所以熱電阻隨溫度的變化可以線性地反映到輸出端V_o1。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出不同溫度下的輸出電壓V_o1，將試驗(yàn)結(jié)果擬合可確定出環(huán)境溫度T_n與輸出電壓V_o1的關(guān)系如下：
??? T_n=33.6080×V_o1-76.8451???????????????????? ?(3)
式(3)中，T_n為環(huán)境溫度(℃); V_o1為輸出電壓(V)。將模擬量V_o1經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送入單片機(jī)即可計(jì)算出環(huán)境溫度T_n，再將T_n代入式(2)即可由單片機(jī)計(jì)算出環(huán)境電勢(shì)E₁。

?

5? 冷端補(bǔ)償?shù)能浖O(shè)計(jì)
??? 采用單片機(jī)軟件進(jìn)行信號(hào)處理與運(yùn)算，可以替代傳統(tǒng)集成運(yùn)放等傳統(tǒng)硬件電路，從而簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，縮小電路板體積。本文由軟件實(shí)現(xiàn)的冷端自動(dòng)補(bǔ)償?shù)牟糠諧語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)如下：
??? ………(受篇幅所限，省略有關(guān)液晶驅(qū)動(dòng)、AD轉(zhuǎn)換子程序及有關(guān)變量聲明)
??? while(1)? //無(wú)限循環(huán)以對(duì)環(huán)境電勢(shì)和現(xiàn)場(chǎng)電勢(shì)進(jìn)行全程采集
??? ?{
??? VAL= A_D0( )；?? //對(duì)通道0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采集現(xiàn)場(chǎng)電勢(shì)E2的數(shù)字量
??? E2=8×VAL/25-1;? //計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)電勢(shì)，依據(jù)式(4)和式(6)的化簡(jiǎn)結(jié)果
??? VAL=A_D1( ); //對(duì)通道1進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采集環(huán)境電勢(shì)E1的數(shù)字量
??? E1=VAL/40-3；//計(jì)算環(huán)境電勢(shì)，依據(jù)式(2)、(3)和(6)的化簡(jiǎn)結(jié)果
??? E=E2+E1； //計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)
??? T=24×E+E/2-4；//計(jì)算熱端溫度，依據(jù)式(5)的化簡(jiǎn)結(jié)果
??? display(T)；//調(diào)用顯示程序，在LCD上顯示熱端溫度
??? ………
??? }?????
6? 測(cè)溫儀表的仿真與試驗(yàn)
??? 為確保熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)能浻布O(shè)計(jì)正確，縮短開(kāi)發(fā)周期，本文基于Proteus軟件進(jìn)行了仿真。其基本過(guò)程是：(1)設(shè)計(jì)圖1以及圖1和圖4所示的仿真原理圖;然后將圖1中的熱電阻R18取值為111.88Ω(30℃時(shí)的試驗(yàn)值)，再將圖2中的輸入現(xiàn)場(chǎng)電勢(shì)取為37.325 mV(900 ℃時(shí)K型熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)); (3)運(yùn)行仿真，即可得到圖4所示熱端溫度的仿真效果。進(jìn)一步試驗(yàn)表明，系統(tǒng)測(cè)量誤差小于5℃。
??? 熱電阻隨環(huán)境溫度的變化，可以線性地變換為環(huán)境電勢(shì)隨環(huán)境溫度的變化，從而可以利用熱電阻測(cè)出環(huán)境電勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)電勢(shì)與輸出電壓間的關(guān)系是以試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合為基礎(chǔ)，而不是簡(jiǎn)單地利用理想集成運(yùn)放的計(jì)算公式，結(jié)果可使檢測(cè)精度明顯提高并簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。
??? 通過(guò)對(duì)環(huán)境電勢(shì)信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)電勢(shì)信號(hào)的采集和A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換后的兩個(gè)數(shù)字信號(hào)變換、求和，即可實(shí)現(xiàn)熱電偶冷端的自動(dòng)補(bǔ)償，不僅過(guò)程簡(jiǎn)單，而且可以大大簡(jiǎn)化傳統(tǒng)補(bǔ)償電路，符合用“軟件代替硬件”的現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想。
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