基于K型熱電偶的高精度測溫裝置設計

王曉丹，孟令軍，文 波，張曉春

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

熱電偶是在科研和生產過程中進行溫度測量時應用最普遍、最廣泛的測溫元件，具有結構簡單、使用方便、測溫精度高等特點[1]。但熱電偶輸出電勢極其微弱，而且冷端溫度誤差和輸出電勢與被測溫度的非線性容易引起較大測量誤差[2]。

基于此，本文以ARM微處理器作為裝置的控制核心，ADS1148作為測溫專用數據采集器，設計了一種基于K型熱電偶的高精度測溫裝置。該裝置具有可靠性好、抗干擾能力強、測溫精度高等優點。

1 裝置工作原理

如圖1所示，主控MCU收到指令后完成對4路溫度傳感器信號的采集控制，讀取冷端補償溫度和ADC芯片的轉換結果后，把溫度數據經過編碼、轉換、存儲到寄存器中，并通過串口將數據上傳到計算機中，在計算機中通過上位機讀取各通道的溫度值并顯示。

圖1 裝置原理框圖Fig.1 Block diagram of the device

該裝置的主控MCU采用的是意法半導體公司設計的STM32F103RET6，它是基于ARM Cortex-M3內核的32位微處理器[3]。TI公司的ADS1148是高度集成的16位精密ADC芯片，ADS1148模數轉換芯片屬于測溫專用數據采集器[4]。主控MCU負責對整個裝置進行控制，與信號采集芯片ADS1148之間采用SPI總線進行通信，一片ADC可以外接4路差分形式輸入的模擬信號[5]。

1.1 熱電偶測溫原理

2種不同材質的導體A、B組成的閉合回路就構成了熱電偶，同一導體當其兩端存在溫度差時，回路中就會產生電流，此時兩端之間就存在電動勢，該電動勢被稱為熱電勢[6]。熱電偶兩端為2個熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為冷端（自由端），冷端通常處于某個恒定的溫度。根據中間溫度定律得出：

式中：EAB（t，0）為補償后的熱電偶電動勢；EAB（t，t0）為通過測量得出的熱電勢；EAB（t0，0）為冷端溫度 t0相對0℃時的熱電勢。

1.2 冷端補償電路

冷端溫度補償選用MAX6627芯片來實現，它和外部雙極型晶體管組成溫度采集器[7]。由晶體管感應外部溫度變化，并將溫度信號轉換為電流信號，將電流差分信號作為輸入信號，經過ADC將溫度轉換為16位的數字信號，精度為0.0625℃，由SPI口串行輸出，可測溫度范圍為-50℃～+150℃[8]。應用原理圖如圖2所示。

圖2 MAX6627與MCU電路連接圖Fig.2 Circuit diagram of MAX6627 and MCU

2 提高測溫精度的方法

（1）K型熱電偶與ADS1148的電路連接如圖3所示，差分輸入方式可以很好地消除導線電阻對測溫精度的影響，在每路輸入端設計了前置濾波器，以衰減熱電偶上的噪聲，提高測溫精度。

圖3 K型熱電偶與ADS1148電路連接圖Fig.3 K-type thermocouple sensor and ADS1148 circuit connection

（2）ADS1148是高度集成的16位精密ADC芯片，本設計充分利用芯片內部資源提高熱電偶測溫精度。ADS1148集成的低噪聲可編程增益放大器最大放大倍數可達128倍，能夠實現對微弱模擬信號的精確測量；其內部的數字濾波器能夠減弱干擾信號對有用信號的影響，提高測溫精度；使用片上參考電壓源，簡化了電路設計。

（3）MAX6627是一種可兼容SPI串行接口的高精度數字溫度傳感器，可直接輸出冷端溫度，實現對熱電偶冷端的溫度補償，達到精確測溫的目的。與傳統的通過外接補償導線連入測控電路的方法相比，該方法簡化了電路設計，不需要外部調理電路，具有精度高、穩定性好、實時性強等特點。

（4）由于K型熱電偶的熱電勢隨溫度的變化是非線性的，加上引線電阻的非線性等因素的影響，導致熱電偶的輸出值與實際溫度值存在偏差。所以，為提高測溫精度，采用Matlab軟件進行分段線性化處理，實現熱電偶的非線性誤差校正。

在測溫范圍-50℃～500℃劃分為-50℃～-20℃、-20℃～10℃、10℃～300℃、300℃～500℃進行分段線性擬合，得到溫度與熱電勢關系模型：

式中：Tt為冷端溫度；V為對應的電壓值。

3 測試結果與分析

把熱電偶溫度傳感器放置在恒溫槽中，設定溫度為-50℃并進行初次測試，恒溫槽溫度以每隔50℃變化，待其溫度穩定后，即開始測試。測溫實驗結果及誤差如表1所示。結果表明，該測溫裝置的溫度測量絕對誤差小于±0.1℃，達到了較高的測量精度。在需要高精度測溫的場合有很好的實用價值。

表1 熱電偶測溫結果及誤差Tab.1 Result and error of thermocouple temperature measurement

在-50℃～500℃溫度范圍內利用選取的3個固定溫度的實測值和根據擬合算法測試的溫度值描繪出的點，通過這些點擬合出如圖4所示的2條直線。根據不同的要求，對測溫范圍所分的段越小，擬合直線就越接近實際溫度直線，補償后測溫的精度就越高。通過軟件補償這種方法可以避免硬件調節的復雜性和保證測溫裝置的穩定性，簡單可靠容易實現。

圖4 測溫曲線擬合結果Fig.4 Result of fitting temperature curve

該裝置的上位機使用Matlab GUI界面設計。如圖5所示，可以通過選擇通道顯示某一路傳感器在一定時間內的溫度變化曲線，并實時顯示冷端溫度值、當前通道的溫度值與平均溫度。當把第1路傳感器放置在溫度為50℃的恒溫槽中，從圖中可以看出，在冷端溫度為26℃時，測得當前通道溫度為50.03℃，平均溫度為50.05℃，誤差均保持在0.1℃以內。

圖5 上位機界面Fig.5 Interface of upper machine

4 結語

本文設計了一種基于K型熱電偶的高精度測溫裝置，和傳統的測溫方法相比，裝置具有電路結構簡單、測溫精度高、穩定性好等優點。能夠滿足在熱試驗過程中溫度測試的需求，在高壓、高沖擊等惡劣環境中也有很好的應用前景。

[1] 王青，董志國，陳大偉.基于CS5524的高精度溫度采集系統的實現[J].自動化與儀表，2011，26（5）：58-60.

[2] 高智慧，劉學平，占濤.基于K型熱電偶的多路溫控系統的研究[J].機械設計與制造，2011（4）：7-9.

[3] 孫志強，周孑民，孫宏建.熱電偶測溫系統的不確定度評定與分析[J].傳感技術學報，2007，20（5）：1061-1063.

[4] 張瑜，張升偉.基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測系統設計[J].傳感技術學報，2010，23（3）：311-314.

[5] 劉國強，唐東紅，李興偉.基于AT89C51單片機的高精度測溫系統的研制[J].儀器儀表學報，2005，26（8）：258-262.

[6] 石明江，張禾，何道清.基于LabVIEW的高精度鉑電阻測溫系統設計[J].計算機測量與控制，2012，20（4）：924-925，938.

[7] 程建華，齊兵，屈傳波.一種高精度低自熱多通道測溫系統設計與實現[J].傳感器與微系統，2014，33（1）：56-60.

[8] 錢云，湯勇明，尹涵春.基于CPLD的溫度采集系統設計[J].電子器件，2006，29（2）：546-549. ■