基于ADS1248的K型熱電偶溫度測量系統

徐 旭,謝劍芳

(重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

在流量儀器儀表的應用過程中，流體溫度是需要測量和控制的重要參數之一。在溫度測量中，熱電偶是一種使用較為廣泛的傳感器。其原理是基于1821年發現的塞貝克效應，即兩種不同的導體或半導體組成一個回路，其兩端相互連接；只要兩節點處的溫度不同，回路中就有電流產生，即回路中存在熱電勢[1]。K型熱電偶具有線性度好、熱電動勢較大、靈敏度高、穩定性和均勻性較好、抗氧化性能強、使用便捷、測溫范圍寬、測溫精度高以及價格便宜等優點，但其還存在非線性、熱穩定性差、需進行冷補償等問題。為解決上述問題，本文采用鉑電阻Pt100對K型熱電偶進行冷端溫度補償。

1 系統硬件介紹與設計

1.1 ADS1248介紹

ADS1248是德州儀器推出的24位低噪聲溫度測量模數轉換器，具有功耗低、集成度高等優點。其集成有精密的模數轉換器(analog-to-digital converter,ADC)芯片、低噪聲可編程增益放大器(pmgrammable gain amplifier,PGA)、單周期設定的精密數字濾波器Delta-Sigma ADC、振蕩器、輸入切換器(inputmux)和兩路恒流源。該芯片可采樣4組差分輸入或7組單端輸入，具有50/60 Hz同步抑制模式[2]。在傳感器斷線檢測功能設計中，選用該芯片的特性有：在滿足性能的情況下,可減少器件數量來簡化電路設計；ADC的數據速率高達2 ksps；功耗僅為2.56 mW[3]。

1.2 系統硬件框圖

基于系統開發的技術指標和后期功能擴展的需求，采用了意法半導體公司的STM32L476微處理器。該微處理器是基于高性能ARM Cortex-M4內核的32位超低功耗微控制器(microcontroller unit,MCU)，工作頻率高達80 MHz，嵌入了高速存儲器(閃存高達1 MB，靜態隨機存取存儲器高達128 KB)、外接存儲器控制器(flexible static memory controller，FSMC)、Quad SPI閃存接口和各種增強的I/O以及外設。使用該微處理器編程時，可以采用固件庫的開發方式，無需接觸底層寄存器，從而顯著縮短了周期、提高了開發效率。系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖Fig.1 System hardware block diagram

50 Hz及60 Hz的工頻電磁干擾是工業控制測量系統中較普遍的一種干擾噪聲，是K型熱電偶溫度采集模塊測量精度的主要影響因子。為實現精確測量，對溫度采集模塊加入抗干擾措施：利用ADS1248集成的數字濾波器抑制工頻電磁干擾；數字濾波器放置于模數轉換之后，對采樣值進行數字濾波處理，從而濾除干擾噪聲。ADS1248中，數字濾波器的濾波特性與采樣速率有關[4]。根據本系統的整體設計指標，數字濾波器選取20次/s的采樣速率。其濾波特性如圖2所示。由圖2可知，50 Hz及60 Hz工頻干擾噪聲衰減量達70 dB以上。

圖2 數字濾波器特性(20次/s)Fig.2 Characteristics of digital filter(20次/s)

冷端溫度測量同樣采用ADS1248芯片。其具有4組差分信號輸入，可將測得的溫度值通過查詢K型熱電偶分度表轉化為電壓值。將該冷端電壓值與ADS1248測得的電壓值相加，便可得到最終的通道電壓值，從而實現對熱電偶冷端的溫度補償，達到精確測溫的目的[5]。在系統設計的實現過程中，為減少環境變化引起的誤差，在Pt100端串聯一個低溫漂的精密電阻，對鉑電阻溫度信號進行補償。

2 系統測量溫度的計算

2.1 鉑電阻補償系數的計算

在鉑電阻溫度信號測量設計中，通過串聯一個低溫漂精密電阻，實現對鉑電阻溫度信號的補償。低溫漂精密電阻阻值隨溫度的降低而變小，在一定溫度范圍內可假定其溫度不變，故以此對鉑電阻進行補償。設精密電阻阻值為R精、由ADS1248采樣獲取其兩端電壓值為U精、ADS1248激勵電流I勵=100 μA，由式(1)可獲得鉑電阻補償系數Krtd。

(1)

2.2 鉑電阻溫度的計算

依據鉑電阻阻值計算溫度，有查表法和計算法兩種。查表法速度快，但精度低，需占用一定的存儲空間。為滿足鉑電阻溫度計算的高精度要求，本系統優先選用計算法進行鉑電阻溫度的計算。

根據標準《JBT 8622-1997 工業鉑熱電阻技術條件及分度表》[6]提供的公式，對于-200～0 ℃和0～850 ℃的溫度范圍，分別有：

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

(2)

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

(3)

式中：t為溫度，℃；R(t)為t時的鉑電阻阻值，Ω；R(0)為0 ℃ 時的鉑電阻阻值，為100 Ω；A為常數，其值為3.908 3×10-3/℃；B為常數，其值為-5.775×10-7/℃2；C為常數，其值為-4.183×10-12/℃4。

由已知電阻值求溫度，即為原函數的反函數。如按原方程求解，計算非常復雜。本系統采用牛頓迭代法[7]，故對于-200～0 ℃的溫度范圍，令：

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

(4)

由式(2)可知，式(3)的值為0，即：

P(t)=0

(5)

由牛頓迭代法可知，式(5)的初始近似根為t0。假設在t0適當域內函數P(t)可微，則式(5)由線性方程式(6)代替。

P(t0)+P′(t0)(t-t0)=0

(6)

由牛頓迭代法可知：

(7)

綜合式(4)、式(5)和式(7)，可得鉑電阻線性化的牛頓迭代法算式為：

(8)

在溫度范圍為0～850 ℃時，令：

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

(9)

綜合式(9)、式(5)和式(7)，可得鉑電阻線性化的牛頓迭代法算式為：

(10)

式中：tn為第n次迭代得到的溫度。tn+1的值逐步收斂，當滿足|tn+1-tN|<0.001時，停止迭代。

為了降低運算量，初值應選取一個合理的近似值。假設R、t為純線性關系，可得到一個初值：

(11)

根據式(8)、式(10)和式(11)，即可由鉑電阻阻值求出熱電偶冷端溫度。

2.3 熱電偶溫度的計算

K型熱電偶測溫度的基本原理是將兩種不同成分的均質導體置于不同的環境溫度中，兩種導體間會產生壓差。此時，若使二者構成閉合回路，則回路中就會有電流通過。在實際操作中，以兩種不同成分的均質導體作為熱電極，并將所處環境溫度較高的一端稱為工作端、溫度較低的一端稱為自由端。通常情況下，將自由端處于某個恒定的溫度下(通常為0 ℃)，根據熱電動勢與溫度的函數關系，制成熱電偶分度表，且不同的熱電偶，分度表不同。本系統使用國際實用溫標ITS-90中的K型熱電偶分度表。

熱電偶冷端補償計算方法有以下兩種。

①由毫伏算溫度：測量冷端溫度，換算為對應毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度。

②由溫度算毫伏：測量出實際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減后得出毫伏值，即得溫度。

為滿足本項目的溫度測量精度要求，使用計算法計算熱電偶溫度時，計算過程復雜。在滿足高精度要求的情況下，采用查表法計算熱電偶溫度，采用由毫伏算溫度法進行冷端補償，最后使用折線修正對溫度值進行標定修正。

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

(12)

式中：th為冷端溫度，℃；t0為0 ℃；EAB(t,th)為通過ADS1248采樣芯片測得的熱電動勢；EAB(th,t0)為由鉑電阻測得的冷端溫度通過查表轉換成的熱電動勢。

根據熱電動勢EAB(t,t0)，查詢國際實用溫標ITS-90中的K型熱電偶分度表，獲取流體溫度值T。

3 結束語

本溫度測量系統以工業應用所注重的高精度和高可靠性為設計目標[8-9]。在硬件和軟件設計時，從多個層面考慮了高精度問題，包括器件的選擇。充分利用高集成度、高精度模數轉換芯片ADS1248，設計了高精度、高靈活性的熱電偶溫度采集模塊；通過使用鉑電阻Pt100對熱電偶進行冷端溫度補償，實現了溫度的高精度測量，從而滿足現場的應用要求。

參考文獻:

[1] 王魁漢.溫度測量實用技術[M].北京:機械工業出版社,2006:35-75.

[2] 侯金華,琚長江.一種高精度高靈活性熱電阻測溫模塊的設計方法[J].儀表技術,2013(10):43-46.

[3] 張樹青,李妍.基于ADS1248高精度測溫裝置的設計[J].河北工業科技，2013,30(4):249-252.

[4] 侯進旺,馮欣悅,化雪薈.基于單片機的微球腔溫度控制系統的設計[J].電子器件,2016，39(4):768-773.

[5] 林效峰,張國平.K型熱電偶多路溫度采集系統[J].計算機與數字工程,2013,41(5):842-844.

[6] 全國工業過程測量和控制標準化技術委員會.工業鉑熱電阻技術條件及分度表:JBT 8622-1997[S].中華人民共和國機械工業部,1997.

[7] 李聰,代后兆.一種新型低成本高精度熱電阻測溫模塊的研制[J].電子測量與儀器學報,2013,27(6):577-584.

[8] 胡鵬程,時瑋澤,梅健挺.高精度鉑電阻測溫系統[J].光學精密工程,2014,22(4):988-995.

[9] 石明江,張禾,何道清.基于K型熱電偶數據擬合的溫度測量系統設計[J].制造業自動化,2012,34(14):122-124.