窯爐用熱電阻、熱電偶智能溫度測量板應用

[摘要]:溫度是影響陶瓷燒成質量的關鍵因素，介紹了一種適用于測量各種窯爐不同部位溫度的智能溫度測量板，由于該系統在不同的測溫部位分別采用了熱電阻和熱電偶，克服了一般測溫系統在連接不同的測溫傳感器需要更換不同的測溫模板、成本高、使用不方便等不足，并具有適用性強、測溫精度高等優點。
引言
　　溫度是影響陶瓷燒成質量的關鍵因素，熱電阻、熱電偶是目前廣泛使用的兩種溫度傳感器，熱電阻主要用.于低溫段的測溫，它是利用金屬的電阻隨著溫度的升高而增大的原理工作的，通過檢測金屬電阻的變化實現溫.度的檢測。根據材料可分為鉑電阻和銅電阻。熱電偶主要用于高溫段的測溫，它是利用熱電(壓)效應原理工作的器件，把兩種不同的金屬接合在一起，在結合點上有一個溫差就會產生溫差電勢E，此稱為塞貝克效應(溫差電動勢效應)，溫差電動勢的大小僅由金屬A和B的種類和溫差的大小來決定1。根據構成熱電偶材料的不同，按ITS--90國際溫標的規定，熱電偶有B、s、R、K、N、E、J、T八種。它直接輸出電壓信號(溫差電勢)信號,不需要驅動電源。
　　在設計智能溫度測量板時，由于既要用熱電阻(PT100、CU50)作為溫度傳感器，又要用熱電偶(上述8種熱電偶)測溫，只要通過相應的軟件設置，就能適應上述各種不同的傳感器，無需用戶更換測溫板，使設計的智能溫度測量板的適用性大大增強。
1溫度智能測溫板的硬件設計
 
1.1溫度測量儀系統構成
　　圖1為通用溫度測量儀的硬件框圖,輸入為8個通道，通過繼電器控制選擇前置處理電路，8通道測量共用信號調理電路，通道切換采用電子開關:為適應輸入信號變化范圍和提高測量精度，信號放大電路采用可變增益運放，A/D轉換采用14位雙積分型器件，輸入輸出采用隔離措施提高抗干擾性;微控制器選用89C52，它具有獨立的信號采集及數據處理能力，通過異步串行口接受采樣命令和發送采樣值[2]。
1.2前置放大電路的設計.
　　熱電阻普遍是三線制接法，由于熱電阻本身的電阻較小，如PT100在0℃是的電阻為100Ω，而且它隨溫度的變化量較小，每變化1℃電阻變化0.38Ω左右，它們在使用時，由于熱電阻安裝在現場，與測控儀表有一定的距離，只要有0.38Ω的引線電阻，就將使測溫誤差至少達到1℃，在精度高測量時引線電阻的影響不能忽略，因此熱電阻常用不平衡電橋接法，可有效的克服引線電阻r的影響，橋路供電采用精度高恒壓源[8],如圖2所示。在此種電路接法應用下，溫度誤差為2℃左右，要實現誤差為±0.3℃，必須要有線性校正電路，考慮到用硬件校正線路復雜，效果差，故采用軟件校正，采用分段線性擬和算法。
 
　　熱電偶輸出信號已是電勢，無須加轉換電路，可直接接后邊的濾波、放大電路。要設計成熱電阻、熱電偶混用，主要區別在于前置轉換電路的不同，在設計中是通過使用2只雙組12V繼電器解決這個問題，第一只繼電器用于3輸入端子與后續處理電路的隔離，與標準信號測量板共用此3端，第二只繼電器用于熱電阻橋路的接入或切換到熱電偶的處理電路，利用繼電器的2個常開端接入熱電阻橋路，熱電阻公共端直接入橋路地，2個常閉端直接接入熱電偶處理電路，接線端子1、2接兩組觸點公共端，而對于每--.路輸入信號，外接端子只有3個，以第一路為例，當接熱電阻時，接線端子1、2接熱電阻的兩端，3端接公共端，當接熱電偶時，接線端子1、2端接熱電偶的兩端，3端不接，其它7路類同。濾波、放大電路采用兩級RC濾波電路，第1級R=100Ω,C=0.1uf第2級R=2KΩ,C=0.1uf，整個濾波電路的截止頻率約是800Hz，后接3只穩壓二極管，反向穩定電壓是4.3V,具有輸入保護作用，誤加幾十伏電壓不會造成溫度板的損壞，后接4只CD4052，用于8路熱電阻、熱電偶輸入通道的切換。
　　放大電路選用BURR-BROWN公司的儀用放大器INA118，用它將輸入差動信號變為單端信號，作為預放大電路，放大倍數為取Rg=10KΩ，K=6,.由于橋路輸出電壓和各種熱電偶的輸出電勢信號幅度相差較大，用單一放大倍數不能滿足要求，必須采用可變增益放大電路，為此，采用一塊精度高、低漂移運放0P-07和一塊多路轉換開關CD4051以及若干1%精度金屬膜電阻和精密多圈電位器組成第二級可變增益放大電路，放大信號上限到±2V，可完全滿足要求[5]。
為實現精度高測量，必須消除來自放大電路、A/D轉換電路等系統的時漂和溫漂，采用數字校零技術(即先采集校零通道數字量，再采集8通道輸入數字量，CPU減去校零通道數字量作為正式測量值)從根本上消除了放大器等漂移產生的誤差。
　　熱電偶必須采用冷端溫度補償，本設計采用各種熱電偶通用冷端補償電路，即先測出冷端環境溫度TO，再結合具體測溫熱電偶的型號查出冷端電勢E(T0,0)，然后加.上高溫端測量電勢E(T，T0)，得到E(T,0)，通過查表得到溫度T,所以各種熱電偶均能適應。
1.3A/D轉換接口電路設計
　　模數轉換芯片采用美國INTERSIL公司的A/D轉換器ICL7135，它具有4位半精度(相當于14位二進制數)，可以給出士20000個數，因此所有型號的傳感器都可以在設計溫度范圍達到0.1℃以內的分辨率，它采用雙積分式工作方式，能有效的克服輸入脈沖干擾，非常適用于工控現場，輸出數字穩定，精度高;缺點是轉換速度慢，它完成1次轉換需40002個時鐘周期，在500KHZ時鐘頻率下，需80亳秒，但由于測量的是溫度信號，它本身是一慢速緩變信號，變化速率在1的2秒，所以用ICL7135作A/D轉換器較合理;另外，工控現場50HZ串模干擾比較嚴重，影響轉換精度，只要外部輸入時鐘頻率是50HZ的整數倍，它可克服50HZ串模干擾[6。
　　在溫度板.上，選用4MHZ方型集成晶振作為時鐘發生器，不須外接振蕩電容，只須接+5V電源即可，輸出頻率穩定，頻率漂移小，通過接4位二進制計數器74HC93實現分頻后送ICL7135時鐘端，分頻系數是1/8，A/D轉換的CLK時鐘頻率定為500KHZ，這樣A/D轉換一-次需80毫秒，即1秒轉換12次，采樣速率合適。ICL7135的A/D轉換結果是動態分時輪流輸出的BCD碼，不是總線輸出型結構，不能和單片機89C52數據總線直接相連，所以和89C52并行口P1相連，占用P1.0-P1.3,89C52以中斷方式讀取A/D轉換結果，由于A/D轉換結果是5個4位動態輪流輸出BCD碼B8B4B2B1，并相應輸出BCD碼數據的位選通信號，為節省占用P1口數量,使用74HC157-2選1數據選擇器[n。精度高電壓基準源的產生采用可調式電壓基準W431，它的基準輸出電壓為2.5V，且可隨外接電阻的不同輸出電壓可調，最高輸出電壓30V,基準電壓溫漂極小，動態輸出電阻很低。
精度高電壓基準源的產生采用可調式電壓基準W431，它的基準輸出電壓為2.5V，且可隨外接電阻的不.同輸出電壓可調，最高輸出電壓30V,基準電壓溫漂極小，動態輸出電阻很低。
1.489C52單片機的應用擴展設計
　　單片機系統部分采用ATMEL89C52作為CPU，外擴16KEPROM。為實現對繼電器的控制，外接2個74HC377數據鎖存器，通過P2.0、P2.1的線選鎖存控制斷開或閉合，采用2塊8路驅動器ULN2803驅動16只+12V繼電器工作。為實現對熱電阻、熱電偶通道的選擇及運放0P-07增益的控制，外接2個74HC377數據鎖存器，P2.2、P2.3作為片選，并通過3塊TLP421-4光耦控制通道切換及增益切換。溫度板測得的溫度數據通過串行口RXD、TXD和主板.上的P51XAG3的串行口1的TXD1、RXD1進行串行通訊傳輸，每一路溫度數據為2字節16進制數，一次傳送16字節，是在8通道測量后才允許通過串行中斷傳送，保證溫度數據的同時更新，89C52處于從機工作方式[8]。
　　為加強系統抗干擾措施，溫度板模擬電路和單片機數字電路之間采用隔離，電源隔離采用北京眾人牌隔離電源5D5一100，信號的隔離采用普通4光耦器件TLP421-4四塊，普通單光耦器件TLP421-1一塊，在板上每塊易受干擾的集成塊電源間接入0.1uf的濾波電容也是抗干擾的措施。
 
2試驗的測量結果
　　對陶瓷燒成溫度區域進行劃分，在300℃以下接入PT100熱電阻，在300℃以上接入S型熱電偶。將此種新型測溫儀的測量結果與現有的陶瓷窯爐測量數據進行比較，結果如圖3所示，在300℃以下最大誤差為0.22℃,大部分溫度測量誤差在0.20℃以內;300℃以上測量誤差在3.5℃左右,測量精度高于一般的陶瓷窯爐溫度測量儀，尤其在低溫段特別明顯。
3結語
　　設計的智能溫度測量板能適用于燒結陶瓷的各種窯爐的溫度測量，由于該系統在測溫的不同部位分別采用了熱電阻和熱電偶，克服了--般測溫系統在連接不同的測溫部位的傳感器時，需要更換不同的測溫模板，成本高,使用不方便的不足，所以具有一定的適用性和推廣價值;而且采用熱電阻測溫時測量誤差只有±0.2°C;采用熱電偶測溫時，S型在0~1600C最高測量誤差為0.3%FS,K型在0~1200℃最高測量誤差為0.25FS，實現了精度高測量。這種智能溫度測量板在熱工測量中具有廣闊的應用前景。