多通道智能热电偶测温模块的研制

　　引言

　　实际工业应用中利用塞贝克效应制作的热电偶传感器工作原理如图 1 所示^[1]。A、B 为两种不同导体，通过一定的方法使这两种导体绞合在一起，即形成热电偶传感器。当把热电偶传感器置于一定的温度环境中，2 个导体的结合处会形成电压差 V1，再通过引线引出，得到电压差 V2( 引线不会改变电压差，即 V2= V1) ，通过测量该电压差值，查找相应类型的标准热电偶分度表就可知道测量点的温度值。目前热电偶传感器根据所使用金属材料的不同，可分为 S 型( 铂铑 10 - 铂) 、B 型( 铂铑30 - 铂铑 6) 、K 型( 镍铬 - 镍硅) 、T 型( 铜 - 康铜) 、E 型( 镍- 康铜) 、J 型( 铁 - 康铜) 、R 型( 铂铑 13 - 铂) 、N 型( 镍铬硅 -镍硅镁) 等 8 种主要类型。每种类型热电偶传感器 2 种金属之间的电压差和它们结合处的温度有固定的对应关系，形成各种不同类型热电偶传感器标准分度表^[2]。

　　1 硬件设计

　　测温模块可以满足 16 个通道的温度测量，且各通道所配置的热电偶传感器类型可以是 S 型、B 型、K 型、T 型、E 型、J型、R 型及 N 型共 8 种常用类型中的任意一种，支持冷端温度自动补偿功能^{[3 -4]。}

　　测温模块的硬件原理如图 2 所示，由通道切换电路、模数转换电路、通讯电路及 CPU 电路等部分组成。通道切换电路的CH1 ～ CH16 为 16 个热电偶测温通道，CH17 ～ CH20 为冷端补偿通道，冷端补偿采用四线制热电阻测温传感器，实现热电偶传感器冷端所处环境温度的测量。

　　1. 1 通道切换电路

　　测量通道切换电路采用光电耦合器器件^[5]，实现外部信号和内部电路的隔离，提高模块的抗干扰性能。为消除通道切换带来的误差，在模数转换器开始对某个通道热电偶电压进行采样之前，应使通道开关保持一定的时间，以确保模数转换器采集到稳定的热电偶电压值。

　　1. 2 模数转换电路

　　模数转换电路的作用是把采集到某个通道的热电偶电压值转换为数字信号。该模数转换电路采用高位数、高精度模数转换芯片^[6]，该芯片对 50Hz 的工频干扰具有较好的滤波功能，在很大程度上简化了前置滤波电路及软件滤波程序的设计工作。

　　1. 3 通讯电路

　　通讯电路部分负责接收上位机设置的各通道热电偶传感器类型及冷端补偿使用的热电阻类型配置信息，同时把测量到的各通道温度值发送给上位机进行显示、分析和处理。通讯协议采用 CAN 总线协议，可以把多个测温模块进行组网，形成可以测量更多通道的智能测温网络。