一种基于MAX31856的热电偶测温仪及测试方法与流程

本发明属于热电偶测温仪，具体涉及一种基于MAX31856的热电偶测温仪及测试方法。
背景技术：
：温度是工业生产和科研过程中一个重要的技术指标。目前，主要使用铂电阻和热电偶测量温度。铂电阻温度传感器具有测量精度高、重复性好、稳定性强等优点，但其缺点是测温响应时间较慢；热电偶温度传感器具有构造简单、温度测量范围宽、测温响应时间相对较快等优点，缺点是需要进行冷端补偿、测量精度略差、温度测量存在非线性补偿问题。本文介绍一种热电偶测温电路，很好的解决了热电偶冷端补偿、非线性校正问题，有助于各种分度号的热电偶在科研、生产过程中得到广泛使用。技术实现要素：要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于MAX31856的热电偶测温仪及测试方法，很好的解决了热电偶冷端补偿、非线性校正问题，有助于各种分度号的热电偶在科研、生产过程中得到广泛使用。技术方案一种基于MAX31856的热电偶测温仪，其特征在于包括热电偶、MAX31856热电偶模数数字转换器和ARM主控芯片；热电偶与MAX31856热电偶模数数字转换器的连接关系为：热电偶两端分别通过2KΩ电阻连接T+和T-端口，其中连接T-端口的热电偶一端通过2KΩ电阻连接BIAS端口；T+和T-之间连接100nF电容，AVDD端口连接0.1μF陶瓷电容，旁路至GND；T+与GND之间连接10nF电容，T-与GND之间连接10nF电容；MAX31856热电偶模数数字转换器与ARM主控芯片通过SPI接口进行数据交换；ARM主控芯片将温度测量值通过SPI接口输出至OLED进行实时显示。所述100nF电容为陶瓷表贴电容。一种利用所述任一项基于MAX31856的热电偶测温仪测试温度的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：主控芯片根据所使用的热电偶分度号，读取MAX31856热电偶模数转换器中经过冷端自动补偿后的温度值，同时读取热电偶状态数据；步骤2：主控芯片根据热电偶状态数据判断热电偶是否工作正常？如果热电偶有故障，则显示故障类型并排除故障；如果热电偶工作正常则进行下一步；步骤3：主控芯片将温度值送OLED进行实时显示，将温度值通过串口上传至工控机存储或显示。有益效果本发明提出的一种基于MAX31856的热电偶测温仪及测试方法，选择Maxim公司最新推出的MAX31856作为热电偶数字转换器。MAX31856内置19位模/数转换器(ADC)。MAX31856具有内部温度传感器，可进行热电偶冷端自动补偿功能。MAX31856内部具有支持不同分度号的热电偶的温度查询表，温度查询表可对热电偶温度数据进行非线性修正。本发明解决了热电偶冷端补偿问题、解决了热电偶测温的非线性校正问题。该测温仪的温度分辨能力为0.0078125℃。热电偶电压测量精度达±0.15％。本测温仪即可便携使用，也可与电脑相连实时显示数据，极大方便工程技术人员的工作，具有一定的实用价值。附图说明图1：热电偶原理图图2：MAX31856内部结构图3：采用MAX31856与热电偶的接线测温电路图4：热电偶测温仪原理图图5：本方法测温流程示意图具体实施方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：1.热电偶冷端补偿原理两种不同材质的导体A、B组成的闭合回路就构成了热电偶。同一导体当其两端存在温度差时，回路中就会产生电流，此时两端之间就存在电动势，该电动势被称为热电势。热电偶两端为两个热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为冷端(自由端)，冷端通常处于某个恒定的温度。根据热电偶测温原理可知,热电偶产生的总电动势等于两个接点所产生的热电动势之差。EAB(T,T0)＝EAB(T)-EAB(T0)(1)EAB(T,T0)：通过测量得出的热电势；EAB(T)：热端的电动势；EAB(T0)：冷端的电动势；当T0＝0℃时：EAB(T,0)＝EAB(T)-EAB(0)(2)用(2)减去(1)得：EAB(T,0)-EAB(T,T0)＝(EAB(T)-EAB(0))-(EAB(T)-EAB(T0))(3)EAB(T,0)-EAB(T,T0)＝EAB(T0)-EAB(0)(4)因为：EAB(T0)-EAB(0)＝EAB(T0,0)(5)所以：EAB(T,0)-EAB(T,T0)＝EAB(T0,0)(6)EAB(T,0)＝EAB(T,T0)+EAB(T0,0)(7)EAB(T,0)：补偿后的热电偶电动势；EAB(T,T0)：通过测量得出的热电势；EAB(T0,0)：冷端温度T0相对0℃时的热电势。由公式(7)可见，只要将实测热电势EAB(T,T0)加上冷端修正热电势EAB(T0，0)就可得到热电偶热电势EAB(T,0)，然后通过查标准分度表，即可得知热端温度。2.温度变换器MAX31856MAX31856是美国MAXIM公司生产的带有冷端补偿、非线性校正、热电偶开路检测、热电偶故障检测的热电偶模数转换器。它的温度分辨能力为0.0078125℃。热电偶电压测量精度达±0.15％。冷端补偿范围为-20～+85℃，工作电压为3.3V。在工业温度测控场合，热电偶因其价格便宜、测量范围宽而得到广泛的使用.但它往往需要冷端补偿，且电路较复杂，调试麻烦。而MAXIM公司生产的热电偶模数转换器MAX31856不但可将模拟信号转换成19bit的数字量，而且自带冷端补偿、非线性校正。其温度分辨能力达0.0078125℃,可以满足绝大多数工业应用场合。MAX31856采用SO-14封装，体积小，可靠性好。MAX31856内部结构MAX31856热电偶数字转换器内部结构如图2所示。主要功能包括：输入保护、故障检测、可编程增益放大器、19位模/数转换器(ADC)、热电偶非线性校正、冷端补偿检测和补偿、数字控制器、SPI串行接口。采用MAX31856的测温电路使用MAX31856测温时，将热电偶引线连接到输入T+和T-。如图3所示，确保要将热电偶引线连接到正确的输入端。BIAS输出偏置大约在0.735V，将BIAS输出连接到T-，使热电偶偏置在共模输入范围之内。MAX31856内置±45V输入保护电路，可防止T+、T-或BIAS上的过压造成IC损坏。为防止出现可能发生的较大的输入故障，应增加输入保护电路。给T+、T-及BIAS端串联合适的电阻能够提高MAX31856承受的故障电压的能力。由于涉及到小信号处理，热电偶温度测量很容易受电源耦合噪声的影响。在靠近VDD引脚的位置安装0.1μF陶瓷电容，旁路至GND，将电源噪声的影响降至最低。输入放大器为低噪声放大器，该放大器可以对输入进行高精度检测。确保热电偶和连线远离电气噪声源。在T+和T-引脚之间安装100nF陶瓷表贴电容，以滤除热电偶引线上的噪声。在噪声水平较高的环境下，尤其是明显的射频场，除了T+和T-之间的100nF电容外，还应在T+和GND之间安装一个10nF电容，在T-和GND之间也安装一个10nF电容。根据噪声的性质，可修改这些电容值。噪声源较大时，可能需要采取其它技术措施，例如增加串联电阻以及屏蔽热电偶引线和电路板。MAX31856工作原理：MAX31856输入放大器和ADC对热电偶的输出电压EAB(T,T0)进行放大和数字转换。内部温度传感器测量冷端温度EAB(T0,0)。利用内部查找表(LUT)，确定所选热电偶类型与冷端温度对应的ADC编码。将热电偶编码和冷端编码进行求和，产生与冷端补偿热电偶温度对应的编码。最后，利用LUT得到以℃为单位的冷端补偿输出码。热电偶测温仪设计，见图4设计目的：热电偶测温仪可支持不同分度号的热电偶(K、J、N、R、S、T、E和B)进行温度测量。热电偶测温仪具有热电偶开路、热电偶故障检测功能。为提高热电偶测温仪的可靠性，该热电偶测温仪具有对50Hz和60Hz噪声及其谐波的抑制功能。该热电偶测温仪具有通过串口上传温度数据功能、具有便携显示实时温度数据功能。热电偶测温仪的连接及工作原理选择Maxim公司最新推出的MAX31856作为热电偶数字转换器。MAX31856内置19位模/数转换器(ADC)。MAX31856具有内部温度传感器，可进行热电偶冷端自动补偿功能。MAX31856内部具有支持不同分度号的热电偶的温度查询表，温度查询表可对热电偶温度数据进行非线性修正。选择意法半导体的stm32f405芯片作为主控芯片。该芯片支持单精度浮点运算，系统时钟168MHz。该芯片适合用于做控制研究。基于MAX31856的热电偶测温仪包括热电偶、MAX31856热电偶模数数字转换器和ARM主控芯片；热电偶与MAX31856热电偶模数数字转换器的连接关系为：热电偶两端分别通过2KΩ电阻连接T+和T-端口，其中连接T-端口的热电偶一端通过2KΩ电阻连接BIAS端口；T+和T-之间连接100nF电容，AVDD端口连接0.1μF陶瓷电容，旁路至GND；T+与GND之间连接10nF电容，T-与GND之间连接10nF电容；MAX31856热电偶模数数字转换器与ARM主控芯片通过SPI接口进行数据交换；ARM主控芯片将温度测量值通过SPI接口输出至OLED进行实时显示。测试时，本测温仪连接JUMOK型热电偶。将K型热电偶放入恒温箱中，测量的数据如下：序号恒温箱设定值(℃)热电偶反馈值(℃)偏差(℃)14039.760.2425049.870.1336059.860.1447069.970.0358079.770.2369089.690.31710099.70.38110109.940.06从实测数据可以看出：在40℃～110℃范围内,使用K型热电偶时，本测温仪的测量精度可达到:±0.5℃。本发明的基于MAX31856的热电偶测温仪,解决了热电偶冷端补偿问题、解决了热电偶测温的非线性校正问题。该测温仪的温度分辨能力为0.0078125℃。热电偶电压测量精度达±0.15％。本测温仪即可便携使用，也可与电脑相连实时显示数据，极大方便工程技术人员的工作，具有一定的实用价值。当前第1页1 2 3