高精度多通道K型热电偶温度测量_曹毅.pdf

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.，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 single-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 method 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CD4052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不同的拟合参数对热电偶信号测量结果的影响程度，以满足热气机管壁温度实际测量需要。AD转换器选用ADS12637，其内部自带可编程增益放大器（programmable gain amplifier，PGA）、2.5 V电压基准和内部故障监视器的32位AD转换器，线性度优于310-6，温漂小于1 nV/，处理速度最大达38.4 kHz，同时还辅助一个24位AD转换器，可以在后台用于软件补偿算法，所以非常适合用于热电偶信号采集。ADS1263共有10个输入通道，每根 K 型热电偶有 2 极信号，须要同时输入。因此，需要2片ADS1263协同工作，完成8根热电偶的信号采集工作。3软件设计软件设计基于 PIC18F6722 单片机和 ADS1263转换器硬件资源，使用Keil uVision58编译工具进行代码设计。上电后，单片机PIC18F6722 首先完成端口、工作模式、AD 设置、定时器、滤波参数、通信接口配置等的初始化9；随后，单片机启动ADS1263，开始使用查表法按公式（1）计算当前热气机管壁温度，点火后继续使用查表法测量，当热气机管壁温度达到拖动温度时单片机控制拖动热气机，当温度达到600 时采用拟合线性化方法按公式（3）计算热气机管壁温度，使用热气机温度算法将温度维持在 700 左右，若超出750 则报警。ADS1263多通道热电偶信号采集硬件图如图3所示。查表法测温范围为-270600，对应在0 参考条件下，其热电动势范围为-6 45824 905 V。首先要获得热电偶环境补偿温度，将该温度转换为环境热电动势，再获得热电偶当前的热电动势，环境热电动势与热电偶当前热电势之和记为热电偶实际热电动势，根据该值查表，获得热气机管壁当前实际温度。具体过程代码如下：if（hotNum=8）hotNum=0；codeValue=getCJC_Value_1（）；/*将环境温度转换为热电动势*/codeVolatge=（CHOOSE_T 0）；/*设置ADS1263采样通道*/ADS1263_SetChannel（ADS1263_CH_AIN1P_AIN1M）；ADS1263_SetGain（ADS1263_GAIN_32，图3ADS1263多通道热电偶信号采集硬件图2023 年 3 月 25 曹毅等：高精度多通道K型热电偶温度测量ADS1263_CH_AIN1P_AIN1M）；hotNum+；/*获取热电偶热电势*/hotVolatge=getHotVolatge_1（channel）；/*求取热电偶实际热电动势*/actVolatge=codeVolatge+hotVolatge；/*根据热电电势表格获取温度，首先要判断数据是否在表格范围内*/if（actVolatge=0）？（-6 458）：（-6 458）temperature=-270.0；else if（actVolatge（24 905）temperature=600；elsetemperature=getTCValueFromTab（actVolatge）；当热气机管壁温度大于600 时，无须使用环境温度计算需要补偿的环境热电动势，这部分数据由拟合线性化温度区间的斜率Ki=42来替代，只须将当前获得的热电偶热电动势代入公式（3）即可计算热气机管壁当前温度。该方法相对于查表计算，执行代码少，因此运行速度快，具有较高的实时性，运行中若温度超过750 则报警。拟合线性化测温流程图如图4所示。4应用结果与分析热气机在额定工况运行时，要求管理温度精度控制在2 内，这样才能获得较好的性能。相对于此时的管壁温度700，控制要求较高。为了满足该要求，使用查表法进行 K型热电偶信号监测。在实际使用中发现，该方法能够满足热气机控制精度要求，但由于查表法软件处理步骤较多，再叠加热气机自身燃烧滞后因素，在热气机额定运行工况下很难将温度控制在2 内，一般在5 内，不能满足热气机特殊温度控制需要。解决办法是提高硬件质量，并使用高速微处理器，但此举会导致成本增加。另外，若使用拟合线性化测温，根据K型热电偶信号特点，将其温度区间分为若干段进行线性化拟合，如将其分为17段区间，其测量精度和实时性较高，能够满足热气机管壁温度监控的需要。然而，热气机在升降挡时，其温度升降也较为频繁，软件须在多个测温区间跳跃，在每个区间调用不同的拟参数，因此为了保证控制软件的运行速度，需要配置较高的ARM处理器，不满足成本控制的要求。基于上述因素，综合考量后提出在热气机点火拖动期间采用查表法测量K型热电偶温度，在进入600 后使用拟合线性化测温，将热气机管壁温度控制在额定运行状态下。此举能够保证控制的精度和实时性，由于运算量较少，使用普通的单片机就能完成热气机控制任务，成本较低。在实际使用中，热气机在点火拖动时对温度测量的实时性要求较低，因此，查表法能够胜任该任务；热气机运行稳定后，3挡工况分别运行在630、670 和700 等3个点上，恰好在热电偶一个线性化的602748 的区间内，因此可以用一个线性化公式计算热电偶测量温度。在3 000 h热气机可靠性增长试验中，热气机点火拖动控制正常，在额定运行工况下热气机运行温度控制在2 内，热气机能够平稳发电，也没有发生热气机管壁被烧蚀现象，说明本热电偶测量方法正确、适用。5结论采用查表法和拟合线性化相结合的方法设计的高精度 K 型热电偶多通道温度测量电路在 0600 区间采用查表法测温，在600750 区间采用拟合线性化方法测温，在满足温度测量精度和图4拟合线性化测温流程图（下转第56页）第 45 卷第 2 期 56 柴 油 机（2）工序2。采用专用工装，将工序1的带支管的三通与一段内管的直管段进行拼装，然后夹持在转台上进行焊接，如图6所示。经尺寸检验和无损检测合格后进入下个工序。（3）工序3。采用专用工装，将工序2的各管段逐段进行拼装，每次只拼装一道焊缝的相关部件，并夹持在专用工装上进行焊接，经尺寸检验和无损检测合格后，再拼装下一道焊缝的相关部件。在试制和初始阶段，此工序的焊缝须逐一进行尺寸检验和无损检测，待经验丰富后，可在工序2的各段管整体焊接完成后进行无损检测。逐段拼装管段示意图如图7所示。（4）工序4。将工序3的整段管装夹在专用工装上，依照专用工装的固定尺寸，拼装各支管法兰，并夹持在专用工装上进行焊接，经尺寸检验和无损检测合格后进入下个工序。（5）工序5。在工序4的基础上，采用专用工装拼装端部法兰，并夹持在专用工装上进行焊接，经尺寸检验和无损检测合格后进入下个工序。双壁管外管的壁厚比内管薄，内管经酸洗钝化后，可从某一端部开始，围绕端部法兰和三通进行分段，逐段进行拼装焊接。在此过程中须密切关注外管三通与内管三通支管部位的相对尺寸，如出现明显偏差应及时进行调整。3.4加工要点鉴于刚性接触的法兰中有一个是带有密封槽的，对密封槽的尺寸要求较为精密，所以焊后加工只可在平法兰上进行，且加工量只允许在预留加工量的范围内。应设计专用加工夹持工装对双壁管与工作台进行固定，确保在加工过程中双壁管整体不会振动或窜动。双壁管置于V型架上时，压紧力不能直接施加在外管上，以防外管变形。建议在法兰圆周面上施加压紧力，同时从背面顶住法兰，以防振刀。4结论通过技术攻关，国内已于2019年成功开发双壁管，并应用在缸径为 500 mm、620 mm、720 mm、920 mm等船用低压双燃料发动机上，降低采购成本，缩短交货周期，实现该关键零部件的自主可控。图7逐段拼装管段示意图图5三通与支管拼装示意图图6与内管直管段拼装示意图实时性要求的同时，还可低成本。在热气机3个额定工况运行点（630、670 和 700）上，热气机管壁温度控制精度为2，达到预期目标。实际使用结果表明：采用该电路测量的热电偶温度数据真实、可靠，热电偶信号处理方法满足温度测量的需要，可用于温度参数的提取和数据分析。设计经验和方法可在相关领域推广应用。参考文献1 顾根香，彭小方，潘卫明，等.斯特林技术发展与应用 M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2020.2 徐朝胜，闫改珍，国海，等.一种基于K型热电偶的精密测温系统J.白城师范学院学报，2019，33（4）：18-23.3 王晓丹，孟令军，文波，等.基于K型热电偶的高精度 测 温 装 置 设 计J.自 动 化 与 仪 表，2014，29（11）：12-15.4 徐旭，谢剑芳.基于ADS1248的K型热电偶温度测量系统 J.自动化仪表，2018，39（6）：75-77.5 曾小信，邱立运.热电偶测温采集精度的影响因素及优化方法 J.自动化与仪表，2016，31（9）：37-40.6 刘向宇，秦龙.PIC单片机C语言程序设计实例精粹M.北京：电子工业出版社，2010.7 王鲍，张雄杰，胡斌，等.高精度AD采集卡性能测试及评价方法研究J.中国测试，2022，48（2）：135-140.8 YING B.Microcontroller engineering with MSP432：fundamentals and applicationsM.Abinfdon：Taylor&Francis，2016.9 张生磊，袁同山.基于STC15W4K60S4单片机智能供暖控制器的设计 J.电子设计工程，2019，27（4）：180-184.（上接第25页）