基于ADS1248的K型热电偶温度测量系统

徐 旭,谢剑芳

(重庆川仪自动化股份有限公司，重庆 401121)

0 引言

在流量仪器仪表的应用过程中，流体温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶是一种使用较为广泛的传感器。其原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体组成一个回路，其两端相互连接；只要两节点处的温度不同，回路中就有电流产生，即回路中存在热电势[1]。K型热电偶具有线性度好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好、抗氧化性能强、使用便捷、测温范围宽、测温精度高以及价格便宜等优点，但其还存在非线性、热稳定性差、需进行冷补偿等问题。为解决上述问题，本文采用铂电阻Pt100对K型热电偶进行冷端温度补偿。

1 系统硬件介绍与设计

1.1 ADS1248介绍

ADS1248是德州仪器推出的24位低噪声温度测量模数转换器，具有功耗低、集成度高等优点。其集成有精密的模数转换器(analog-to-digital converter,ADC)芯片、低噪声可编程增益放大器(pmgrammable gain amplifier,PGA)、单周期设定的精密数字滤波器Delta-Sigma ADC、振荡器、输入切换器(inputmux)和两路恒流源。该芯片可采样4组差分输入或7组单端输入，具有50/60 Hz同步抑制模式[2]。在传感器断线检测功能设计中，选用该芯片的特性有：在满足性能的情况下,可减少器件数量来简化电路设计；ADC的数据速率高达2 ksps；功耗仅为2.56 mW[3]。

1.2 系统硬件框图

基于系统开发的技术指标和后期功能扩展的需求，采用了意法半导体公司的STM32L476微处理器。该微处理器是基于高性能ARM Cortex-M4内核的32位超低功耗微控制器(microcontroller unit,MCU)，工作频率高达80 MHz，嵌入了高速存储器(闪存高达1 MB，静态随机存取存储器高达128 KB)、外接存储器控制器(flexible static memory controller，FSMC)、Quad SPI闪存接口和各种增强的I/O以及外设。使用该微处理器编程时，可以采用固件库的开发方式，无需接触底层寄存器，从而显著缩短了周期、提高了开发效率。系统硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图Fig.1 System hardware block diagram

50 Hz及60 Hz的工频电磁干扰是工业控制测量系统中较普遍的一种干扰噪声，是K型热电偶温度采集模块测量精度的主要影响因子。为实现精确测量，对温度采集模块加入抗干扰措施：利用ADS1248集成的数字滤波器抑制工频电磁干扰；数字滤波器放置于模数转换之后，对采样值进行数字滤波处理，从而滤除干扰噪声。ADS1248中，数字滤波器的滤波特性与采样速率有关[4]。根据本系统的整体设计指标，数字滤波器选取20次/s的采样速率。其滤波特性如图2所示。由图2可知，50 Hz及60 Hz工频干扰噪声衰减量达70 dB以上。

图2 数字滤波器特性(20次/s)Fig.2 Characteristics of digital filter(20次/s)

冷端温度测量同样采用ADS1248芯片。其具有4组差分信号输入，可将测得的温度值通过查询K型热电偶分度表转化为电压值。将该冷端电压值与ADS1248测得的电压值相加，便可得到最终的通道电压值，从而实现对热电偶冷端的温度补偿，达到精确测温的目的[5]。在系统设计的实现过程中，为减少环境变化引起的误差，在Pt100端串联一个低温漂的精密电阻，对铂电阻温度信号进行补偿。

2 系统测量温度的计算

2.1 铂电阻补偿系数的计算

在铂电阻温度信号测量设计中，通过串联一个低温漂精密电阻，实现对铂电阻温度信号的补偿。低温漂精密电阻阻值随温度的降低而变小，在一定温度范围内可假定其温度不变，故以此对铂电阻进行补偿。设精密电阻阻值为R精、由ADS1248采样获取其两端电压值为U精、ADS1248激励电流I励=100 μA，由式(1)可获得铂电阻补偿系数Krtd。

(1)

2.2 铂电阻温度的计算

依据铂电阻阻值计算温度，有查表法和计算法两种。查表法速度快，但精度低，需占用一定的存储空间。为满足铂电阻温度计算的高精度要求，本系统优先选用计算法进行铂电阻温度的计算。

根据标准《JBT 8622-1997 工业铂热电阻技术条件及分度表》[6]提供的公式，对于-200～0 ℃和0～850 ℃的温度范围，分别有：

R(t)=R(0)[1+At+bt2+c(t-100)t3]

(2)

R(t)=R(0)(1+At+Bt2)

(3)

式中：t为温度，℃；R(t)为t时的铂电阻阻值，Ω；R(0)为0 ℃ 时的铂电阻阻值，为100 Ω；A为常数，其值为3.908 3×10-3/℃；B为常数，其值为-5.775×10-7/℃2；C为常数，其值为-4.183×10-12/℃4。

由已知电阻值求温度，即为原函数的反函数。如按原方程求解，计算非常复杂。本系统采用牛顿迭代法[7]，故对于-200～0 ℃的温度范围，令：

P(t)=R(t)-R(0)[1+At+bt2+c(t-100)t2]

(4)

由式(2)可知，式(3)的值为0，即：

P(t)=0

(5)

由牛顿迭代法可知，式(5)的初始近似根为t0。假设在t0适当域内函数P(t)可微，则式(5)由线性方程式(6)代替。

P(t0)+P′(t0)(t-t0)=0

(6)

由牛顿迭代法可知：

(7)

综合式(4)、式(5)和式(7)，可得铂电阻线性化的牛顿迭代法算式为：

(8)

在温度范围为0～850 ℃时，令：

P(t)=R(t)-R(0)(1+At+Bt2)

(9)

综合式(9)、式(5)和式(7)，可得铂电阻线性化的牛顿迭代法算式为：

(10)

式中：tn为第n次迭代得到的温度。tn+1的值逐步收敛，当满足|tn+1-tN|<0.001时，停止迭代。

为了降低运算量，初值应选取一个合理的近似值。假设R、t为纯线性关系，可得到一个初值：

(11)

根据式(8)、式(10)和式(11)，即可由铂电阻阻值求出热电偶冷端温度。

2.3 热电偶温度的计算

K型热电偶测温度的基本原理是将两种不同成分的均质导体置于不同的环境温度中，两种导体间会产生压差。此时，若使二者构成闭合回路，则回路中就会有电流通过。在实际操作中，以两种不同成分的均质导体作为热电极，并将所处环境温度较高的一端称为工作端、温度较低的一端称为自由端。通常情况下，将自由端处于某个恒定的温度下(通常为0 ℃)，根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表，且不同的热电偶，分度表不同。本系统使用国际实用温标ITS-90中的K型热电偶分度表。

热电偶冷端补偿计算方法有以下两种。

①由毫伏算温度：测量冷端温度，换算为对应毫伏值，与热电偶的毫伏值相加，换算出温度。

②由温度算毫伏：测量出实际温度与冷端温度，分别换算为毫伏值，相减后得出毫伏值，即得温度。

为满足本项目的温度测量精度要求，使用计算法计算热电偶温度时，计算过程复杂。在满足高精度要求的情况下，采用查表法计算热电偶温度，采用由毫伏算温度法进行冷端补偿，最后使用折线修正对温度值进行标定修正。

EA(t,t0)=EAB(t,th)+EAB(th,t0)

(12)

式中：th为冷端温度，℃；t0为0 ℃；EAB(t,th)为通过ADS1248采样芯片测得的热电动势；EAB(th,t0)为由铂电阻测得的冷端温度通过查表转换成的热电动势。

根据热电动势EAB(t,t0)，查询国际实用温标ITS-90中的K型热电偶分度表，获取流体温度值T。

3 结束语

本温度测量系统以工业应用所注重的高精度和高可靠性为设计目标[8-9]。在硬件和软件设计时，从多个层面考虑了高精度问题，包括器件的选择。充分利用高集成度、高精度模数转换芯片ADS1248，设计了高精度、高灵活性的热电偶温度采集模块；通过使用铂电阻Pt100对热电偶进行冷端温度补偿，实现了温度的高精度测量，从而满足现场的应用要求。

参考文献:

[1] 王魁汉.温度测量实用技术[M].北京:机械工业出版社,2006:35-75.

[2] 侯金华,琚长江.一种高精度高灵活性热电阻测温模块的设计方法[J].仪表技术,2013(10):43-46.

[3] 张树青,李妍.基于ADS1248高精度测温装置的设计[J].河北工业科技，2013,30(4):249-252.

[4] 侯进旺,冯欣悦,化雪荟.基于单片机的微球腔温度控制系统的设计[J].电子器件,2016，39(4):768-773.

[5] 林效峰,张国平.K型热电偶多路温度采集系统[J].计算机与数字工程,2013,41(5):842-844.

[6] 全国工业过程测量和控制标准化技术委员会.工业铂热电阻技术条件及分度表:JBT 8622-1997[S].中华人民共和国机械工业部,1997.

[7] 李聪,代后兆.一种新型低成本高精度热电阻测温模块的研制[J].电子测量与仪器学报,2013,27(6):577-584.

[8] 胡鹏程,时玮泽,梅健挺.高精度铂电阻测温系统[J].光学精密工程,2014,22(4):988-995.

[9] 石明江,张禾,何道清.基于K型热电偶数据拟合的温度测量系统设计[J].制造业自动化,2012,34(14):122-124.