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摘 要论文将传统的热电偶测温技术、神经网络技术与单片机技术结合起来,设计读数直观、准确的数字式智能测温仪表,该仪表采用单片机芯片AT89s52作为微处理器,K型热电偶作为温度传感器,数字温度传感器DS18B20进行热电偶冷端温度的测量,以对热电偶进行冷端补偿,能够准确测量并显示温度。
关键词智能仪表;温度测量;K型热电偶
中图分类号TH文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)102-0128-01
热电偶利用热电效应将被测物理量(温度)直接转换为电势,是一种能量转换型传感器。而热电偶具有准确度较、测温范围广和成本低廉等优点,往往成为工业应用中温度测量的首选。以热电偶作为测量介质的测温系统在工业生产中得到了广泛的应用。但是在温度目标测量范围较大的情况下,由于各方面条件限制不能很好的提高测量精度,所以如何改善热电偶测温精度并结合先进的算法和理论就成为当今测温研究的一个重点。
在现场检测中,由于受到各种因素的影响,热电偶的温度和热电势之间呈非线性关系。由于神经网络具有可以任意精度逼近任何非線性函数的特点,所以可以利用神经网络建立热电偶测量温度与热电势的关系。
PID神经网络控制器可以适应非线性对象的控制,所构成的控制系统具有优良的动态和静态特性。所以本文利用PID神经网络建立热电偶测量温度与热电势的关系,即建立热电偶测温的校正模型,以此实现热电偶测温的快速非线形校正,达到准确测温的目的。该项研究具有一定学术价值和工程实际意义。
1总体设计方案
本方案选择Atlnel公司的AT89552单片机作为下位机的控制器。温度传感器选择K型热电偶。由于采用热电偶测温时,需要进行冷端温度补偿,因此选择数字温度传感器DS1SBZO进行冷端温度的测量以进行补偿。热电偶输出信号是缓变微弱的低频信号,需要进行放大和滤除高频干扰,因此需要进行信号调理。热电偶信号调理电路包括:放大和滤波两部分。放大部分的放大器件选用低功耗、高精度仪用放大器AD620;滤波部分采用有源低通滤波,有源器件选择低噪声、高精度、价格低廉的运算放大器OP07来实现热电偶信号的滤波。
信号经过调理之后,需要将模拟信号转换为数字信号,在本系统中选择MAxIM公司的MAx197芯片,MAx197是一种多量程,8通道、12位刀D转换器。
2温度测量装置设计
2.1热电偶测温系统
热电偶测温系统是工业上常用的一种温度测量方法。热电偶是通过测量热电动势来实现测温的,即热电偶测温是基于热电转化现象—热电现象。热电偶测温具有以下几个优点:
l)测温准确度较高测温时,能获得较高的测温准确度。2)热电偶结构简单,装配及维修也比较方便,价格也比较便宜。3)动态响应速度快,热电偶的测量端可以制成体积很小的接点,由于它的热容量小,所以动态响应速度很快。4)测温范围较广随着热电偶材料的发展,热电偶的测温范围也日趋广阔。对于一般的工程测温,都能基本满足要求。5)信号可远传,便于集中检测及自动控制热电偶所产生的热电势,可通过连接导线远距离输送到显示仪表,这样便于实行集中巡回检测和自动控制。
但是热电偶测温也有一些不足点,在高温和长期使用环境下,热电偶容易受到腐蚀,而使测量不准确。另外参考端的温度恒定也是使用的一个限制条件,在使用时需要进行冷端温度补偿。
2.2K型热电偶特点
K型热电偶是目前使用量最大的一类热电偶,此种热电偶正极为质量分数为10%的镍铬合金(KP),负极为硅质量分数为3%的镍硅合金(KN)。由于镍硅合金亲磁,所以可以用磁铁方便的判断出K型热电偶的负极。
K型热电偶的测温范围宽、线性度好、{热电势率比较高、灵敏度高、抗氧化能力较强,在氧化和还原气氛中输出热电势都比较稳定。K型热电偶短期使用温度在1200℃附近,可以长期使用在1000℃以下。
但是需要注意长期高温环境使用的热电偶稳定性较差,K型热电偶的负极受磁场影响明显,在使用时应尽量减少周围磁场对热电偶的干扰。另外如果长期应用在带辐射环境中,此型热电偶的负极中的锰、铬等元素会发生蜕变,使其稳定性变差。
2.3冷端补偿
热电偶因温度变化产生的热电动势,是测量端的温度与参考端温度的函数差,而不是温度差的函数值。参考端的温度变化将影响温度测量的准确度。但是在实际使用中,因热电偶长度的限制,参考端温度直接收到被测介质的影响,温度是变化的,无法进行参考端温度修正,所以需要将变化很大的参考端温度保持恒定。
分度表是在参考端(又称:冷端)为0℃的条件下,热电偶所产生的热电势与测量端(又称:热端)的环境温度的对应表。然而在实际应用中,冷端温度的变化,给测量带来误差。为了减少测量误差,就要设法把冷端的温度调整到与0℃相同的状态,这种调整叫做冷端补偿。.实际工业生产和实验研究中,热电偶冷端补偿的方法有多种,每种补偿方法的特点各不相同。
本系统采用数字温度传感器对K型热电偶进行冷端补偿,无须冰水槽,只需利用一片Ds18BZo单线式数字温度传感器测量冷端温度,利用软件即可实现对不同型号热电偶的冷端温度补偿,这种方法补偿准确度高,所需补偿电路简单,特别适用于各种智能式温度测量系统中。
3电子系统设计
1)滤波电路设计。滤波电路作为信号调理电路的第二级,作用主要是对放大之后的热电偶信号进行滤波。热电偶信号变化非常缓慢,在本系统中采用二阶有源低通滤波来滤除信号中的无用信号。为了很好地抑制工频干扰,本文选择的是巴特沃斯型的低通滤波器,该波器具有两个阻尼值可调的复数极点。与其它的类型低通滤波器相比,巴特斯型的低通滤波器的优点是幅频特性是单调的,并且在通带内比较平坦,但点是在转折频率后幅频特性下降得比较慢。所以本文将转折频率设得比较低。适当地选择两个电阻和两个电容的参数,可以很好地达到抑制工频扰的目的。2)单片机。本设计选用了Atmel的8位单片机AT89552作为本系统下位机的控制器,其是一种低功耗、高性能CMOS的8位微控制器。为了提高单片机系统的可靠性,采用专门的监控芯片MAx813L。MAx813L是一个看门狗与电源监控芯片,在系统加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出,复位脉冲宽度典型值为200ms。该芯片一具有独立的看门狗输出,如果看门狗输入在1.65内未被触发,其输出将变为高电平。另外MAx813L芯片具有电源监控功能,内置1.25V门限值检测器,用于电源故障报警、电池低电压检测或+SV以外的电源监控。
4总结
本文将PID神经网络技术应用于热电偶测温,设计了下位机系统的硬件电路,开发出一套以单片机为核心的温度测量仪表。
该温度测量仪表可以实现常温和高温物体的温度测量和显示,通过PID神经网络算法校正,测量精度可以大大提高。同时可以通过设置报警变量来实现高温上限或低温下限的报警作用。并通过串口通信,可以将温度信号送至上位机监控界面,实现数据的可视化、存储等功能。
参考文献
[l]姜忠良,陈秀云.温度的测量与控制.北京:清华出版社,2005.
[2]沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用.北京:机械工业出版社,2002.
关键词智能仪表;温度测量;K型热电偶
中图分类号TH文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)102-0128-01
热电偶利用热电效应将被测物理量(温度)直接转换为电势,是一种能量转换型传感器。而热电偶具有准确度较、测温范围广和成本低廉等优点,往往成为工业应用中温度测量的首选。以热电偶作为测量介质的测温系统在工业生产中得到了广泛的应用。但是在温度目标测量范围较大的情况下,由于各方面条件限制不能很好的提高测量精度,所以如何改善热电偶测温精度并结合先进的算法和理论就成为当今测温研究的一个重点。
在现场检测中,由于受到各种因素的影响,热电偶的温度和热电势之间呈非线性关系。由于神经网络具有可以任意精度逼近任何非線性函数的特点,所以可以利用神经网络建立热电偶测量温度与热电势的关系。
PID神经网络控制器可以适应非线性对象的控制,所构成的控制系统具有优良的动态和静态特性。所以本文利用PID神经网络建立热电偶测量温度与热电势的关系,即建立热电偶测温的校正模型,以此实现热电偶测温的快速非线形校正,达到准确测温的目的。该项研究具有一定学术价值和工程实际意义。
1总体设计方案
本方案选择Atlnel公司的AT89552单片机作为下位机的控制器。温度传感器选择K型热电偶。由于采用热电偶测温时,需要进行冷端温度补偿,因此选择数字温度传感器DS1SBZO进行冷端温度的测量以进行补偿。热电偶输出信号是缓变微弱的低频信号,需要进行放大和滤除高频干扰,因此需要进行信号调理。热电偶信号调理电路包括:放大和滤波两部分。放大部分的放大器件选用低功耗、高精度仪用放大器AD620;滤波部分采用有源低通滤波,有源器件选择低噪声、高精度、价格低廉的运算放大器OP07来实现热电偶信号的滤波。
信号经过调理之后,需要将模拟信号转换为数字信号,在本系统中选择MAxIM公司的MAx197芯片,MAx197是一种多量程,8通道、12位刀D转换器。
2温度测量装置设计
2.1热电偶测温系统
热电偶测温系统是工业上常用的一种温度测量方法。热电偶是通过测量热电动势来实现测温的,即热电偶测温是基于热电转化现象—热电现象。热电偶测温具有以下几个优点:
l)测温准确度较高测温时,能获得较高的测温准确度。2)热电偶结构简单,装配及维修也比较方便,价格也比较便宜。3)动态响应速度快,热电偶的测量端可以制成体积很小的接点,由于它的热容量小,所以动态响应速度很快。4)测温范围较广随着热电偶材料的发展,热电偶的测温范围也日趋广阔。对于一般的工程测温,都能基本满足要求。5)信号可远传,便于集中检测及自动控制热电偶所产生的热电势,可通过连接导线远距离输送到显示仪表,这样便于实行集中巡回检测和自动控制。
但是热电偶测温也有一些不足点,在高温和长期使用环境下,热电偶容易受到腐蚀,而使测量不准确。另外参考端的温度恒定也是使用的一个限制条件,在使用时需要进行冷端温度补偿。
2.2K型热电偶特点
K型热电偶是目前使用量最大的一类热电偶,此种热电偶正极为质量分数为10%的镍铬合金(KP),负极为硅质量分数为3%的镍硅合金(KN)。由于镍硅合金亲磁,所以可以用磁铁方便的判断出K型热电偶的负极。
K型热电偶的测温范围宽、线性度好、{热电势率比较高、灵敏度高、抗氧化能力较强,在氧化和还原气氛中输出热电势都比较稳定。K型热电偶短期使用温度在1200℃附近,可以长期使用在1000℃以下。
但是需要注意长期高温环境使用的热电偶稳定性较差,K型热电偶的负极受磁场影响明显,在使用时应尽量减少周围磁场对热电偶的干扰。另外如果长期应用在带辐射环境中,此型热电偶的负极中的锰、铬等元素会发生蜕变,使其稳定性变差。
2.3冷端补偿
热电偶因温度变化产生的热电动势,是测量端的温度与参考端温度的函数差,而不是温度差的函数值。参考端的温度变化将影响温度测量的准确度。但是在实际使用中,因热电偶长度的限制,参考端温度直接收到被测介质的影响,温度是变化的,无法进行参考端温度修正,所以需要将变化很大的参考端温度保持恒定。
分度表是在参考端(又称:冷端)为0℃的条件下,热电偶所产生的热电势与测量端(又称:热端)的环境温度的对应表。然而在实际应用中,冷端温度的变化,给测量带来误差。为了减少测量误差,就要设法把冷端的温度调整到与0℃相同的状态,这种调整叫做冷端补偿。.实际工业生产和实验研究中,热电偶冷端补偿的方法有多种,每种补偿方法的特点各不相同。
本系统采用数字温度传感器对K型热电偶进行冷端补偿,无须冰水槽,只需利用一片Ds18BZo单线式数字温度传感器测量冷端温度,利用软件即可实现对不同型号热电偶的冷端温度补偿,这种方法补偿准确度高,所需补偿电路简单,特别适用于各种智能式温度测量系统中。
3电子系统设计
1)滤波电路设计。滤波电路作为信号调理电路的第二级,作用主要是对放大之后的热电偶信号进行滤波。热电偶信号变化非常缓慢,在本系统中采用二阶有源低通滤波来滤除信号中的无用信号。为了很好地抑制工频干扰,本文选择的是巴特沃斯型的低通滤波器,该波器具有两个阻尼值可调的复数极点。与其它的类型低通滤波器相比,巴特斯型的低通滤波器的优点是幅频特性是单调的,并且在通带内比较平坦,但点是在转折频率后幅频特性下降得比较慢。所以本文将转折频率设得比较低。适当地选择两个电阻和两个电容的参数,可以很好地达到抑制工频扰的目的。2)单片机。本设计选用了Atmel的8位单片机AT89552作为本系统下位机的控制器,其是一种低功耗、高性能CMOS的8位微控制器。为了提高单片机系统的可靠性,采用专门的监控芯片MAx813L。MAx813L是一个看门狗与电源监控芯片,在系统加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出,复位脉冲宽度典型值为200ms。该芯片一具有独立的看门狗输出,如果看门狗输入在1.65内未被触发,其输出将变为高电平。另外MAx813L芯片具有电源监控功能,内置1.25V门限值检测器,用于电源故障报警、电池低电压检测或+SV以外的电源监控。
4总结
本文将PID神经网络技术应用于热电偶测温,设计了下位机系统的硬件电路,开发出一套以单片机为核心的温度测量仪表。
该温度测量仪表可以实现常温和高温物体的温度测量和显示,通过PID神经网络算法校正,测量精度可以大大提高。同时可以通过设置报警变量来实现高温上限或低温下限的报警作用。并通过串口通信,可以将温度信号送至上位机监控界面,实现数据的可视化、存储等功能。
参考文献
[l]姜忠良,陈秀云.温度的测量与控制.北京:清华出版社,2005.
[2]沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用.北京:机械工业出版社,2002.