高精度多通道K型热电偶温度测量_曹毅.pdf
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1、第 45 卷(2023)第 2 期Vol.45(2023)No.2柴油机Diesel EngineDOI:10.12374/j.issn.1001-4357.2023.02.005高精度多通道K型热电偶温度测量曹毅1,宗情2,付继峰1,万盛1,施健1(1.上海齐耀动力技术有限公司,上海 201203;2.上海船用柴油机研究所,上海 201203)摘要:根据热气机运行特点、控制参数要求和成本控制要求,设计一种基于PIC18F6722单片机的K型热电偶温度测量方法。单片机在0600 时采用查表法计算热电偶温度,在600750 时采用拟合线性化方法计算热电偶信号温度。在3 000 h的热气机可靠性试
2、验中,在630、670 和700 等3个热气机额定工况运行点上,该方法能将热气机管壁温度控制在2 内,且成本较低,满足设计要求。关键词:K型热电偶;温度;测量;高精度中图分类号:U664.124;TP212.1+1文献标志码:A文章编号:1001-4357(2023)02-0022-04Temperature Measurement of the High Precision Multi-Channel K-Type ThermocoupleCAO Yi1,ZONG Qing2,FU Jifeng1,WAN Sheng1,SHI Jian1(1.Shanghai MicroPowers Co.
3、,Ltd.,Shanghai 201203,China;2.Shanghai Marine Diesel Research Institute,Shanghai 201203,China)Abstract:Based on the operating characteristics,control parameter requirements,and cost control requirements of Stirling engines,a K-type thermocouple temperature measurement method based on PIC18F6722 sing
4、le-chip microcomputer was designed.The single-chip microcomputer used a table lookup method to calculate the thermocouple temperature at 0-600,and a fitting linearization method to calculate the thermocouple signal temperature at 600-750.In the 3 000 h reliability test of the Stirling engine,this me
5、thod could control the wall temperature of the Stirling engine within 2 at three rated operating points of 630,670,and 700,the cost was low,and could meet the design requirements.Key words:K-type thermocouple;temperature;measurement;high-precision0引言热气机1是一种外燃机,性能优越,在运行时要求温度控制在2 范围内,因此在实时性、精度等方面对其加热器
6、的测温要求较高。K型热电偶输出信号具有不受其管径、补偿导线长度和形状影响的优点,因此在热气机管壁温度测量方面获得应用。K型热电偶在实际应用中须采取相应措施才能获得较高的测量精度。徐朝胜等2 对K型热电偶信号进行毫伏冷端补偿,通过查表计算热电偶测量温度,辅以折线修正以达到较高测量结果。查表计算和折线修正需要一定时间,再叠加智能化与控制收稿日期:2021-11-18;修回日期:2022-03-02基金项目:上海启明星计划(22QB1403900)2023 年 3 月 23 曹毅等:高精度多通道K型热电偶温度测量热气机燃烧产生的温度具有一定的时滞性,因此采用该方法不能满足热气机管壁温度测量实时性高的
7、要求。王晓丹等3基于分段拟合线性化处理法开发一种热电偶高精度测量方法,该方法计算速度快、实时性好,在0500 区间内测量精度优于1;然而,分段多造成计算量大,需要较高的硬件成本支撑。如果采用文献 3 的方法计算热气机管壁额定温度就会存在两个问题:一是硬件成本高;二是热气机管壁额定温度正常运行在630700,热气机运行环境温度高(超出文献 3 要求的-50 的标定温度),在计算时测量误差较大,不能满足本文项目中热气机管壁温度控制精度为2 的要求。因此,有必要设计一种满足热气机管壁温度测量需要的K型热电偶信号测量电路,其测量精度、实时性、成本等均应满足热气机工程实际需求。1测量工作原理热气机共有4
8、个工作缸,须设置8根K型热电偶进行温度监测,点火成功并达到设定拖动温度后开始拖动热气机启动,然后逐步调整至热气机管壁额定温度700,最终以此温度在控制精度误差范围内稳定运行。热气机拖动温度允许在560600 的宽广范围内,即无须精确、实时地控制温度,符合这个温度范围即可。在稳定运行的温度上则要求比较高的实时性和精度控制,否则对热气机的对振动和效率指标影响较大。据此分析,提出一种适合热气机工作特点的管壁温度测量设计:使用K型热电偶测量热气机管壁温度,点火成功后,使用查表方法计算当前热气机管壁温度,当热气机管壁温度达到580 时拖动热气机开始运行,运行到600 时采用拟合线性化方法。该设计可保证热
9、电偶高精度的信号测量及较高的测量实时性,以满足在热气机运行时管壁温度测量的需要且能保证控制成本。采用查表法按照下面的公式4计算K型热电偶热电动势对应的温度:E=Et+E0(1)式中:E 为被测物体在参考温度时的毫伏热电动势;Et为当前采集获得的毫伏热电动势,E0为0 时热电偶毫伏热电动势。根据获得的毫伏热电动势E,在国际K型热电偶分度表(ITS-90)中查找当前毫伏信号所对应的温度。在 600750 区间采用拟合线性化方法5计算K型热电偶热电动势对应的温度:T=E0-EiKi+Ti(2)式中:T为采用拟合线性化方法处理后的温度;E0为当前温度对应的热电动势;Ei为拟合线性化温度区间的开始热电动
10、势;Ki为拟合线性化温度区间的斜率;Ti为拟合线性化温度区间的开始温度。在 600750 区间内,拟合线性化温度区间的斜率Ki=42,拟合线性化温度区间的开始温度Ti=602,拟合线性化温度区间的开始热电动势Ei=24 990,将参数代入公式(2)得:T=E0-24 99042+602(3)根据公式(3)可以计算600750 区间内的当 前 温 度,根 据 ITS-90 表,当 K 型 热 电 偶 在700 时(在 0 参考温度条件下),其热电动势为 29 129 V,代入公式(3)得T=700.55,可见误差在1 以内,满足热气机管壁温度控制精度为2 的要求,若温度超过750 则报警。2测量
11、电路硬件设计2.1硬件架构依据上述测量方法,根据热气机实际需要,提出如图 2 所示的多通道 K 型热电偶测量电路架构。K型热电偶信号为毫伏电压信号,极易受到外界干扰而产生测量结果波动,测量电路的精度和稳定性差。因此,采用图2中的信号调理电路去除干扰毛刺,其中,电阻为金属精密 1/8 W 电阻,R1、R2均为1 000 电阻,R3、R4均为2 M电阻,电容C1为多层陶瓷电容,电容量为0.1 F。该调理电路共有8路,与热气机管壁热电偶一一对应。图1热气机管壁温度测量方法示意图图2热气机管壁温度测量电路架构图第 45 卷第 2 期 24 柴 油 机对于多通道热电偶测量,一般采用模拟开关器件如CD40
12、52等进行片选后进入模拟/数字(analog/digital,A/D)处理,在模拟开关进行开关通道选择时存在一定的开关延时,对热气机管壁温度的实时性造成一定的不利影响。另外,模拟开关具有一定的内部阻抗,当热电偶信号经过时具有信号分压效应,必将影响热气机管壁温度的测量精度。因此,直接选用8通道AD转换器,防止电路信号在采样时出现信号延时、分压等不利现象,有利于提高采样精度和实时性。2.2关键硬件器件选型单片机选用通过半导体工艺制造的PIC18F6722 6,该单片机自带闪存、带电可擦可编程存储器,具有闪存编程和写入控制参数信息功能。在实际应用中,可将不同的热电偶相关参数写入单片机的闪存中以便测试
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