热电偶测温及冷端补偿研究与实现

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热电偶构造简单 、使用方便 ，是船舶工业上最常用的温度检测元件之- ，具有测量精度高、测温范围广 、热响应时问快、机械强度高、耐压性能好等优点 ，适用于信号的远传、 自动纪录和集中控制 ，在温度测量中占有重要地位 。以热电偶工作原理为切人点 ，从硬件、软件两方面探讨实现热电偶测温及冷端补偿的有效方法 。

1 热电偶工作原理热电偶是利用热电效应(塞贝克效应)工作的，工作原理见图1，由两种不同的金属导体A和 B组成闭合回路 ，当两端结点温度不同(设为 f和 其 中 为热电偶测量端温度 ，f。为参 比端即冷端温度)，则回路内将收稿 日期 ：201 2 07-12作者简介：赵 标(1 977-)，男·江苏盐城人，助理研究员，硕士，主要从事船舶自动化及嵌入式系统研究。

赵 标 ，等 ：热 电偶测温及冷端补偿研 究 与实现 51产生热 电动势 E仙(f，t。)。热电势的大小只与热 电偶导体的材料以及两端的温差有关 ，t与 t 的温差越大，热电势越大，与热电偶导体的长度、直径等无关。

金属A 正引线结合处/ / l.Ii l EJ金属 B 负引线监测点 冷端2 热电偶冷端补偿原理图 1 热 电偶工作原理图测温的目的是测得 以 0℃为基准的测量端 即热端温度 ，而热电偶输 出热 电势 E (tt)反映的是相对于冷端温度的热端温度 ，只有将冷端置于冰水混合液中，才能使冷端温度 不受环境温度的影响始终保持0℃，此时热电势 E (t，0)对应于标准分度表的温度才是测量点即热端的温度 。而在实际工程应用巾，很难保证这样的条件 ，这也是热电偶测温过程中需要冷端补偿的原因和意义 。

根据中间温度定律 ，EAB(t，t0)- EAB(，0)--EAB(t。，0) (1)根据式(1)，可得EAj(t，0) EAB(t， l) EAB(to，0) (2)由式(2)可知，只要将实测热电势 E (t， )加上冷端修正热电势 E (t。，0)即可得到热 电偶测量端热 电势E (t，0)，通过查标准温度表即可得到热端温度 t，或者冷端处于恒温环境 ，即 f。已知的情况下 ，也可以方便地测得热端温度 。这种通过修正热电势 E删( 0)或 t ，进而得到热端温度 t的过程即为热电偶 的冷端温度补偿。

3 硬件电路设计测温系统原理框图见图 2，主控制器采用基于 ARM7内核的微控制单元(Micro Control Unit，MCU)，实现对 A/D转换器的控制、数据采集处理及与上位机通讯等功能。MCU 与 A/D转换器、上位机之间的通讯均采取光 电隔离 ，以减少电磁不同系统拈之间的电磁干扰 。

热电偶热电势外部冷端补偿内部冷端补偿IN1INl- SPI SPI CAN CANIN2 通讯 通讯 通讯 通讯ADS1256 光偶 MCN 光偶 上位机fN2-IN3IN3-图 2 热 电偶 测 温 系统 硬 件 平 台 示 意 图3.1 A/D转换电路热电偶输出热电势为毫伏级小信号，因此硬件设计过程中必须对信号进行放大并采用高精度 A/D转换器件，以提高测量精度，提出的热电偶测温系统采用 TI公司24位 △-∑型 A/D转换器 ADS1256，该器件内嵌缓冲器、增益可编程放大器(Programmable Gain Amplifier，PGA)、△∑调制器 、可编程数字滤波器等功能拈 ，可以直接对热电偶输 出的毫伏级热 电势进行 A/D转换。为了进-步提高测温系统的稳定性、精确上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 学 报 20l3年第 l期性，采用差分输入的方法，以降低模拟信号传输过程中受到的干扰。应用中，MCU通过串行外围设备接口(Serial Perripheral InterIact，SPI)总线控制 A/D转换器的输入通道极性、PGA增益倍数 、工作模式、自校验等。A/D转换电路原理图见图 3，转换器的基准电压由 TI 431提供 。

图 3 A/D转换 电路原理示惹图3.2 冷端补偿电路测温系统提供内部、外部两种冷端补偿方式，可以根据实际需要进行选择外部冷端补偿方式或者内部冷端补偿方式 。外部补偿 ，通过热电阻传感器直接测量热 电偶冷端温度 t。，板内提供 0.5 mA电流源 ；内部补偿 ，即板内内置温度传感器 ，当热电偶冷端温度近似于测温系统运行环境温度时，直接通过内部温度传感器DS600测得运行环境温度 ，实现冷端补偿，比较方便 、经济。冷端补偿电路原理图见图 4。

n Sm A4a外部冷端补偿电路图 4 冷端 补偿 电路原理图D$6004b内部冷端补偿电路4 软件设计热电偶测温系统软件设计分为三部分 ：(1)与硬件相关的驱动软件 ，包括 WDT驱动 、SPI驱动 、热 电偶输入驱动、I。C驱动和 CAN通讯驱动等；(2)对 CAN通讯进行应用层的封装；(3)上层应用程序设计，如热电偶热电势测量，CAN报文实时发送，故障报警以及看门狗自复位等。

热电势测量任务是整个软件系统中的核心部分。主要完成数据采样、A/D转换、数据校正和补偿并保存等任务 ，软件流程见图 6。

赵 标 ，等 ：热 电偶测温及冷端补偿研究与实现 53- [二 二 软件平台层[二二二二二三三三二二] 硬件平台层[二二二二二 至至 三至三三三二二] 图 5 热 电偶测温 系统软件总体结构 示意图5 试验数据结果分析图 6 热 电势测量任务流程图试验过程 中，用毫伏电压发生器模拟 K型热电偶热电势 EAB(，t。)、电阻箱模拟热电偶冷端热电阻传感器输入测温系统 ，完成 A/D转换后 ，通过 MCU换算成温度值上传上位机 ，由上位机显示测量温度，试验结果见表 1。

表 1 试 验数据统计表热电势/mY 热电阻/n 环境温度/℃ 理论温度值/℃ 实际测量温度值/℃ 误差/‰8.137 109.73 25 225 224.8 0.8916.395 111.67 30 43O 430.3 0.7024.902 113.61 35 635 635.4 0.6333.277 115.54 40 840 839.7 0.3641.269 117.47 45 1 045 1 045.2 0.1948.828 119.4O 5O 1 25O l 251 0.80表 1试验数据显示 ，该热 电偶测温系统测量精度较高 ，测得的温度误差不超过 1‰ ，满足工程应用需求 。

6 结 语所提 出的热电偶测温系统，不仅提供外部冷端补偿输入接 口，而且 内置温度传感器可实现 内部冷端补偿，应用方便灵活，试验结果表明该系统运行稳定可靠、测量精度高，完全满足工程应用需要，目前该系统已经在船舶 自动化系统中得到较为广泛的应用 。