基于AD538AD乘法器的高精度温度测量仪的设计与实现

　　1　热电偶传感器的工作原理

　　将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电偶的基本转换原理是将被测量温度变化转换为mV级热电势信号输出。常用的热电偶有S、B、E、K、R、J、T等类型,按IEC国际标准生产,并指定这七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。具体方法是将组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离;必要时热电偶冷端温度补偿。

　　2　高精度智能温度测量仪的结构设计与工作原理

　　2.1　热电偶测量温度产生误差分析

　　热电偶是由二根不同的导体材料焊接而成,温度变化引起电动势的变化,两者之间的变化存在必然的联系,但它们不是线性关系,而是随着温度的升高,电动势的变化值也在逐步变大,例如S热电偶在0~100℃时为0.00643mV/℃,而在1000 ~1100℃时为0.012mV/℃,由此表明温度与电动势的斜率不是一个固定值。制作仪表刻度盘时一般多是等刻度或等步长,即使非等刻度使用者也会引起观察误差,所以根据热电偶各段产生的电动势不同,进行分段数据分段斜率设计,人为设计0~100℃、100℃~200℃、200℃~300℃、300℃~400℃等多个量程段进行数据采集。这样就解决温度—电动势非线性问题,从而提高仪表的测量精度。

　　2.2　温度测量仪的结构设计

　　系统的硬件组成主要有五部分,如图1所示:热电偶、微控单元、采样单元、输出与显示单元和报警单元。测量仪的设计重点是采样单元,采样单元的工作原理表示为,E=α0+α1T+α2T2+…+αNTN。其中热电偶的电动势表示为E,温度表示为T,系数为αN,其中幂级数越大,精度越高,线性化也越好。通过展开高次幂级数的方式可以制作出线性化电路。幂级数越大精度就越高,通常取2次级数,线性化的精度可以精确到百分数。

　　2.3　微控单元

　　主要负责测量仪的实时处理计算,包括对传感器系统采集信息的处理、决策等。控制系统微处理器采用飞思卡尔MC9S12NE64,它包括一个16位的中央处理器单元(CPU)、集成10/100Mbps以太网媒体访问控制器(EMAC)、两个异步串行通讯接口模块、一个串行接口、一个16位定时器模块(TIM)、一个8通道10位模数转换器(ADC)、多达21个管脚可用于键盘唤醒输入(KWU),还有两个额外的外部异步中断。MC9S12NE64采用16位的数据通路。微处理器与远程计算机采用无线通讯,由RS-485总线及Modbus_RTU协议构成初始波特率为9600b/s,初始参数初始化用户可以自行调整,微处理器将信息发给无线收发装置即可,对于AD538AD乘法器电路、AD594AD补偿电路、放大电路送来的信息进行处理,试验中单片机完全达到设计要求。