概述利用K型熱電偶研發(fā)的高精度測(cè)溫裝置

熱電偶是在科研和生產(chǎn)過程中進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)應(yīng)用非常普遍、非常廣泛的測(cè)溫元件，上海上儀四廠具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)。但熱電偶輸出電勢(shì)極其微弱，而且冷端溫度誤差和輸出電勢(shì)與被測(cè)溫度的非線性容易引起較大測(cè)量誤差。基于此，以ARM 微處理器作為裝置的控制核心，ADS1148 作為測(cè)溫專用數(shù)據(jù)采集器， 可以設(shè)計(jì)一種基于K 型熱電偶的高精度測(cè)溫裝置。該裝置具有可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 裝置工作原理

上海上儀四廠主控MCU 收到指令后完成對(duì)4路溫度傳感器信號(hào)的采集控制，讀取冷端補(bǔ)償溫度和ADC 芯片的轉(zhuǎn)換結(jié)果后， 把溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)到寄存器中，并通過串口將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)中通過上位機(jī)讀取各通道的溫度值并顯示。

該裝置的主控MCU 采用的是意法半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的STM32F103RET6，它是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32 位微處理器。TI 公司的ADS1148 是高度集成的16 位精密ADC 芯片，ADS1148 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片屬于測(cè)溫專用數(shù)據(jù)采集器。主控MCU 負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行控制，與信號(hào)采集芯片ADS1148 之間采用SPI 總線進(jìn)行通信，一片ADC 可以外接4 路差分形式輸入的模擬信號(hào)。

1.1 熱電偶測(cè)溫原理

2種不同材質(zhì)的導(dǎo)體A、B 組成的閉合回路就構(gòu)成了熱電偶， 同一導(dǎo)體當(dāng)其兩端存在溫度差時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流， 此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)被稱為熱電勢(shì)。熱電偶兩端為2 個(gè)熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為冷端（自由端），冷端通常處于某個(gè)恒定的溫度。根據(jù)中間溫度定律得出：式中：EAB（t，0）為補(bǔ)償后的熱電偶電動(dòng)勢(shì)；EAB（t，t0）為通過測(cè)量得出的熱電勢(shì)；EAB（t0，0）為冷端溫度t0相對(duì)0 ℃時(shí)的熱電勢(shì)。

1.2 冷端補(bǔ)償電路

冷端溫度補(bǔ)償選用MAX6627 芯片來實(shí)現(xiàn)，它和外部雙極型晶體管組成溫度采集器。上海上儀四廠由晶體管感應(yīng)外部溫度變化， 并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，將電流差分信號(hào)作為輸入信號(hào)，經(jīng)過ADC 將溫度轉(zhuǎn)換為16 位的數(shù)字信號(hào)， 精度為0.0625 ℃，由SPI 口串行輸出，可測(cè)溫度范圍為-50 ℃～+150 ℃。