K型热电偶的动态温度测量系统设计(2)

菜单

1 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
温度不仅是科学实验中的重要参数，也是人们日常中的一个重要物理量。因此对温度的测量是十分重要的。
当今社会，温度检测与人们的生活息息相关。汽车、家用电器等生活用品随着人们生活质量的提高越来越普及，其中一些零件设备在使用过程中会产生大量的热，如果不能及时散热，会导致设备损坏甚至发生危险，所以对温度现场进行研究是十分重要且必要的，而一个简单、稳定的温度测试系统能更好的适应市场。
1.2 课题的国内外研究现状
动态温度指的是随时间变化较快的温度。随着人们对动态温度的不断探索，动态温度的重要性也愈发显现出来。动态温度的应用范围也是极广的，无论是在军工领域还是其他领域都有着较为广泛的应用。例如在军工领域方面，导弹在发射过程中，弹道内变化的温度称之为动态温度；又例如在人们日常生活中，空调等家用电器在工作时，一些零件设备在使用过程中变化的温度称之为动态温度等。动态温度是一个随时间变化较快的量，因此传统的测温方法会有一定的缺陷。例如热电阻虽然准确度较高且稳定性较好，但元件结构较大且动态响应较差；又例如热敏电阻虽然灵敏度高，但其线性度及稳定性都较差。
随着科学技术的进步，人们对动态温度的探索也逐渐取得了突破性的进展。美国曾经使用热电偶测量了M60式机枪枪管内膛表面的瞬态温度[1]。当然，对于动态温度的探索不仅仅局限于军工领域方面的研究。日本曾经在751十年代研制了薄膜热电偶，用于测定内燃机内的瞬态温度[2]。
虽然国内对于瞬态温度的研究相对于国外来说较晚，但通过不懈的努力，也取得了一定的研究成果[3]。例如202所张春元、杨文华用镍铬-镍硅热电偶对炮管射击过程中的内膛表面温度进行了测试[4]。由此可以看出，我国的温度测量技术还是较先进的，但至今而言，我国尚无大型温度仪表企业，过去温度仪表行业的排头兵上海三厂，因体制上存在问题，不但未能随时代的发展而发展壮大，反而萎缩。因此，我国要在温度仪表行业取得长足的发展，就需要国家积极倡导创建大而全的温度仪表企业，与国际接轨[5]。
随着科学技术的进步，对于温度传感器的要求也越来越高。
1.3 K型热电偶的发展现状及未来展望
热电偶是工农业生产以及科学试验中经常使用的一种感温元件，它的主要特点是测温范围宽、性能稳定、准确可靠、信号可以远传等等[6]。
下面主要对K型热电偶进行详细描述。
虽然K型热电偶本身不会创造直接的经济效益，但是它可以改进和完善企业的生产技术。例如西方国家就依靠K型热电偶技术进步开始对传统工农业进行逐步改造和完善，从而使得K型热电偶技术本身也得到了飞速发展[7]。
目前K型热电偶可达到的测温范围是-40℃到1300℃，一级允差在-40℃到375℃区间内不超过1.5℃，在375℃到1300℃区间内不超过0.004t，且线性度好、灵敏度高、高温性能较稳定，价格较满足该温区的其他热电偶低。而且尺寸大小的多样化可以满足不同的测试环境。
未来K型热电偶的研究方向可大致分为以下几个方面：（1）提高测量精度，（2）提高测温范围，（3）提高输出信号强度，（4）减小测量响应时间[7]。
1.4 本文的研究目标和主要工作
本文的研究目标：完成基于K型热电偶的高速测温系统设计。主要可以分为系统硬件设计以及软件设计。
通过设定测试系统的应用环境，分析得出系统的主要技术要求为：（1）测温范围：0--600℃；（2）精确度：±2℃；（3）采样频率：2KHz；（4）存储深度：128Kb。
本文的主要工作：
第1章绪论部分主要介绍了国内外对动态温度的研究现状以及K型热电偶的发展现状等。
第2章根据测试要求，分别完成系统的硬件以及软件的框架设计，从而确定系统整体的框架设计。
第3章主要介绍了系统的硬件部分，包括了芯片的选型以及功能模块的设计，并且将整个硬件系统分成电源系统模块、温度信号调理模块、控制器模块等几个功能模块分别进行详细的分析描述。
第4章主要介绍了系统软件部分的设计，主要包含上位机软件和下位机软件。
第5章主要进行了静态实验和动态实验。
最后进行总结和致谢。
2 系统总体设计
2.1 系统整体概述
由于系统的测试环境不一而足，所以对于系统的整体性能有着较高的要求，不仅需要系统具备足够的稳定性，还需要系统具有较强的抗干扰能力。
2.2 系统整体架构
2.2.1 系统硬件架构
（1）温度信号调理模块
由于通过热电偶转换而来的电压信号较小且含有噪声，因此需要通过信号调理电路对该信号进行滤波、放大、冷结补偿。然后通过电压频率转换电路将电压输出转换为频率输出，从而便于下位机对其进行处理和存储。由于该部分的精度以及响应时间对整个系统的性能有着直接的影响，并且是前端输出信号完整再现的关键，因此该模块尤为重要。
（2）微处理器模块
微处理器是下位机的主要组成部分，下位机不仅负责初步地对数据进行处理，还负责与上位机之间的通信。
系统的硬件结构图如图2-1所示。