基于K型热电偶的多通道温度测试仪

李志敏，张　志，张　瑜

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；



基于K型热电偶的多通道温度测试仪

李志敏1，张志2，张瑜1

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；

2.内蒙古航天动力机械测试所，内蒙古 呼和浩特 010076)

摘要：针对橡胶、塑料、药品等产品在工业生产中存在由温度引起的安全隐患问题，提出了基于K型热电偶的多通道温度测试法。测试系统以K型热电偶为温度传感器，嵌入式硬件CPLD为核心的测试仪与计算机软件相结合，通过监测和控制生产过程中熔体、流体及颗粒体的温度，保证安全生产，并选择最佳温度，使产品的质量达到最优，产量最大。校准与标定实验表明：该测试仪具有体积小，精度高，测试时间长等优点。

关键词：K型热电偶；多通道；CPLD

现代工业随着电子技术和计算机技术的兴起再度高速发展，而基于嵌入式硬件和计算机软件的数据采集与控制系统已成为工业控制的主流。温度作为一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度变化密切相关，在工业生产中往往需要对温度进行监测与控制，热电偶温度传感器是工业上最常用的温度检测元件之一[1]。

1热电偶传感器

工业生产加工中常见的温度变化为中低温慢变过程，特点是需要监控多点、多时段。热电偶传感器具有如下特点：

1) 无需外接电源供电，可直接与被测对象接触，不受中间介质影响，传输距离远；

2) 测量精度高(±0.5 ℃)，测量范围广(-200 ℃～1 300 ℃)；

3) 构造简单，使用方便，价格便宜。

工业生产中的流体、熔体及粉末等加工温度为60 ℃～130 ℃不等，通过设定设备参数和状态控制最佳工作温度，使生产过程安全无隐患，质量最佳，产量最大化[2]。

热电偶的测温原理基于热电效应，热电动势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成，热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关[3，4]。

依照体积小、可靠性高的原则，该系统选用集成温度传感器补偿法。AD8497热电偶放大器为热电偶温度测量提供了一种简单的低成本解决方案。AD8497为集成热电偶冷结补偿器的精密仪表放大器。冰点基准与预校准放大器的结合特点，使其能直接从热电偶信号产生高电平(5 mV/℃)输出。宽的电源电压范围，能够用单端电压供电，可以覆盖近1 000 ℃的热电偶温度范围。利用AD8497组成了冷端补偿电路，补偿电路可实现环境温度的自动补偿[5]。

为保证系统测试数据更精准，系统在使用前需要对使用的热电偶及测试电路进行全测试范围校准、标定。

2系统结构设计

测试系统[6]由多路热电偶传感器、模拟信号调理模块、数据存储模块、电源管理模块与计算机连接的接口电路、电池、机械壳体组成。结构框图如图1。

图1　测试系统结构框图

热电偶传感器：选用了上海方塔仪器仪表公司生产的WRNF-301型镍铬-镍硅热电偶，测量范围-50 ℃～200 ℃，精度±0.4 ℃。

电池及电源管理：电源模块可以完成电池对各模块的上下电及外接充电操作。

模拟信号调理：该模块主要完成热电偶的冷结补偿和放大，将模拟信号稳定至0～2.5 V。

系统控制与数据存储：核心控制为Xilinx-XCR3128的CPLD，控制模拟信号数字化和FLASH存储数据或者显示。

机械壳体：包括了操作面板和外部金属保护壳体，面板接口可执行测试和通信操作。

试验仪由金属外壳保护，热电偶传感器可以实现多测点、接触式温度测量，系统供电为内部聚合物锂电池电源，测试数据存储于系统内存，该试验仪可应用于各种复杂生产过程的温度监测。系统正常工作电流为24 mA，内部供电为两块240 mAh的供电，可稳定测试10 h。采样频率为400 Hz，内存空间为125 GB的FLASH芯片，存储时间满足。测试仪整体实物如图2所示。

图2　测试仪实物图

3校准与标定实验

对整套硬件系统完成调试后，室温下四路传感器测得室温与标准温度相差均不超过0.5 ℃，但在沸水下测试温度偏差较大，为此，对整套测试仪进行动态校准。选用高温干燥箱作为热源，0～200 ℃的高精度温度计提供标准温度，将热电偶传感器敏感接头与温度计测试端固定于干燥箱体内同一点，紧闭箱门，如图3所示。

图3　高温干燥箱校准实验照片

对测试系统上电触发，调节干燥箱温度，测得实验数据如表1。

表1　测试仪校准数据

测试系统输出数字量与被测温度有如下关系：

B=(T×5×10-3+0.833)×1.567×4 096/2.5 .

(1)

分析数据，对测试仪四路校准数据进行线性拟合，如图4所示。

由校准结果可知，测试系统输出与被测温度成稳定的线性关系(R2>0.995)，测试系统在60 ℃以下数据与标准温度的偏差不超过0.5 ℃，在60 ℃～150 ℃的温度段内，偏差

值偶尔会超过1 ℃。将系统校准参数写入上位机读数软件，完成系统的标定、非线性的修正。因此，该测试仪可以完成多测点生产过程的温度监测操作。

图4　测试仪校准结果

4总结

本文完成了基于K型热电偶的多通道温度测试仪的设计，该系统在对热电偶进行冷端补偿后，将被测温度数据存储至系统FLASH内。该系统具有体积小、精度高、测点多、 测试时间长的优点，可应用于工业生产中的橡胶、塑料等流体及熔体加工温度监测，对于安全生产、控制产品质量有着重要意义。

参考文献

[1]吕鹏飞，裴东兴，沈大伟.基于K型热电偶的瞬态测温技术的研究[J].传感技术学报,2014(6):775-780.

[2]李立煌，梁杰，王文廉.基于K型热电偶的瞬态高温测试调理电路[J].科技信息,2013,23:136-137.

[3]张晶，裴东兴，张少杰.基于CPLD的低功耗爆炸场温度测试系统[J].电子设计工程,2012(2):91-93.

[4]王代华，宋林丽，张志杰.基于钨铼热电偶的接触式爆炸温度测试方法[J].探测与控制学报,2012(3):23-28.

[5]刘帆，范锦彪，杜红棉，等.温压炸药爆温无线存储测试系统设计[J].传感技术学报,2014(4):467-471.

[6]郝晓剑.测控电路设计与应用[M].北京:电子工业出版社，2012:4-16,263-268.

Multi Channel Temperature Tester Based on K Type Thermocouple

Li Zhimin1, Zhang Zhi2, Zhang Yu1

(1.NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China;2.InnerMongoliaTestInstituteofAerospaceDynamicMachine,HuhhotInnerMongolia010076,China)

Abstract:Aiming at the safety problems caused by the temperature of rubber, plastics, pharmaceuticals and other products in industrial production, the multi-channel temperature testing method based on K type thermocouple is designed. Test system takes the K type thermocouple as temperature sensor, embedded hardware CPLD as the core of testing instrument which combined with the computer software, and through the monitoring and controlling the temperature of melt, fluid and particle in the production process to ensure the production safety, and selecting the optimum temperature to make the product in optical quality and maximum yield. Showing with the calibration experiment calibration, the tester has the advantages of small size, high accuracy and long testing time.

Key words:K type thermocouple; multi channel; CPLD

收稿日期：2016-03-31

作者简介：李志敏(1991- )，男，内蒙古乌兰察布市人，硕士研究生，研究方向：动态测试与智能仪器。

文章编号：1674- 4578(2016)03- 0047- 02

中图分类号：TP 212

文献标识码：A