基于K型热电偶的测温装置设计*

王安敏 孔令布 孟海彦

（青岛科技大学机电学院 青岛 266061）

1 引言

K型热电偶是工程上广泛使用的温度传感器。其材料主要由镍铬—镍硅合金构成，因为其测量温度范围广，稳定性好，镍铬—镍硅合金抗高温氧化能力强的能力强，复现性好所以K型热电偶被广泛的使用在测量高温的场合。但是热电偶测量温度时输出的热电动势很微弱不能被微控制器直接处理，必须经过滤波，信号放大以后最终由微控制器进行处理以及热电偶的热电动势与被测温度并不呈现很好的线性关系。基于此，现设计一种基于K型热电偶采用高精度ADC1148转换芯片，LM35温度传感器芯片以STM32为主控芯片的测温装置。

2 电路工作框图

该测温装置工作示意图如图1所示，由热电偶的工作原理可知K型热电偶实际使用过程中测得温度是工作端与冷端所处环境温度之间的差值。由于热电偶使用时处于不同的环境造成冷端温度不能保持恒定温度影响温度测量的准确性。由于LM35温度传感器集成芯片的输出电压与温度呈现很好的线性度，所以采用LM35集成芯片对热电偶冷端进行温度补偿满足不同的工业现场对测量精度的要求。STM32微控制器收到读取温度的指令后，对四路温度传感器信号进行数据采集，读取冷端补偿温度，并将采集来的数据处理后送到LCD12864进行温度显示。

图1 测温装置工作示意图

3 K型热电偶测温电路原理

3.1 热电偶测温原理

由材质不同的两种导体，构成闭合回路就形成了热电偶。当闭合回路的两个接触点处于不同的温度场中时就会在回路中产生微弱的电流和热电动势。热电偶工作时热端处于被测环境中，冷端为自由端处于恒温环境中。其恒温大小由式（1）确定

公式中E（t0，0）为热电偶非工作端温度为0℃时热电偶输出的热电动势；E（t，0）为K型热电偶经过LM35集成温度传感器芯片补偿后输出的热电动势；t为热电偶实际测得温度，t0为热电偶冷端温度，E（t，t0）为热电偶实际测出的热电偶输出的热电动势；t0为相对于0℃时热电动势［1］。

3.2 测温模块电路设计

K型热电偶与ADS1148的电路连接如图2 ADS1148芯片内部集成数字滤波器，放大倍数最高可达128倍的可编程增益放大器PGA，在每路的信号采集端设置了滤波器衰减被测信号中存在的干扰信号。差分输入可以抑制热电偶温度测量时产生的共模信号的干扰，提高测温的准确性。该装置充分利用ADS1148内部的集成资源，使用片上参考电压大大简化了测量装置的复杂性。

3.3 热电偶冷端补偿电路

热电偶在工业现场使用时，热端置于被测环境中，冷端暴露作业环境中。所以可以认为冷端温度为作业环境的温度。而作业环境温度是随四季气候变化而变化的，造成冷端温度不恒定。由热电偶测温原理可知，为了提高温度测量的精确性所以必须对冷端进行温度补偿。

图2 测温模块电路

常用的冷端温度补偿的方法有三种。

1）补偿导线法

所谓补偿导线法就是将化学成分不一样的两根导线在一定的温度范围内与配接的热电偶具有一致的热电性。为了使热电偶测量温度时冷端保持恒定的温度可以把导线做的很长，就相当于热电极延长使冷端远离被测温度对象并处在一个恒温的环境中。这样热电偶测量的温度值与温差热电势的关系就是单一函数。此方法价格相对便宜，但是测量精度不高存在较大误差且使用极不方便［2］。

2）电桥补偿法

如图3所示为了消除冷端温度不能保持恒定温度的影响，采用将不平衡电桥串接于热电偶测温电路中，当冷端环境温度发生变化时冷端与温敏电阻同时受到温度变化的影响，此时平衡电桥输出的电势可以抵消由于冷端环境温度变化引起的不良影响，动态完成对热电偶的冷端补偿。

图3 电桥补偿电路

3）集成温度传感器法

为了提高该装置的测量精度，需要进行冷端补偿。该装置采用LM35集成温度传感器芯片进行冷端补偿。LM35温度传感器芯片的输出电压与环境温度呈线性度，在-50℃～150℃范围内温度每升高1℃则LM35相应的输出电压增加10mV。K型热电偶温度每升高1℃相应的电压增加40μV，此时热电偶与LM35的输出电压随温度变化并不一致。为了使冷端U1的热电势与热电偶随温度变化一致必须对LM35的输出电压用电阻R2进行分压，调节电阻R1使冷端的电势E=Vout∕244。经过电阻R2对LM35的输出电压进行分压处理后，冷端的电势变化与热电偶随温度的变化一致即完成温度补偿。与传统外接导线法相比此方法可操作性好易于实现可靠性强，测量精度高［3］。

图4 集成温度传感器补偿电路

4 软件设计

4.1 误差分析及修正

因为K型热电偶的输出热电动势与被测温度存呈现非线性关系，而且热电偶自身材料的不均匀性，以及热电偶的不稳定性也会影响温度测量精度，造成测量温度与实际温度存在较大误差。为了提高该装置测量温度的准确性，使用Matlab软件对测得实际温度数据进行拟合和校正。使测量温度误差得到极大的改善［1］。在测量温度-50℃～500℃内以30℃等间距间隔划分为-50℃～-20℃、-20℃～10℃。在测量温度范围10℃～500℃内划分为10℃～300℃、300℃～500℃进行分段线性拟合得到K型热电偶的输出热电动势与温度的关系。

Tt为冷端温度；V为相应的电压值［4］。

4.2 测温软件主流程图

测温系统主流程图如图5所示对测量数据进行线性拟合，提高测量装置的精度。

5 测温效果与分析

在完成硬软件设计的基础上，为了检测该测温装置在实际使用时测量的误差以及该装置在实际应用中测量温度的稳定性。所以用该测温装置与高精密的测温装置在相同环境，相同温度下进行温度测量以验证在实际应用的测温效果。步骤如下：

图5 主流程图

1）首先在该测温装置允许测量温度范围内-50℃～500℃设置了12个温度测量点。

2）把精密测温装置和放在环境相同的封闭恒温槽容器内，通过串口把测得的温度值显示在LCD12864液晶显示屏上。

3）每十分钟观测一次温度值，并将观测的温度数据记录下来。各个温度点的测量值，数据记录见如下表1。通过对比高精密测温装置与该测温装置实际测得温度数据表明设计的该测温装置测温稳定性能好，测温精度达到工业现场使用的要求。同时利用软件补偿的方法，可以减小每段的线性化误差，在整个的测温范围内具有±0.1℃测量误差，保证了测温的准确性。

表1 实际测量数据