基于K型熱電偶溫度傳感器的測溫系統研究

杜林穎 于鴻彬 王磊

關鍵詞： 狀態檢測; K型熱電偶; 溫度傳感器; WiFi傳輸; 靜態校準; 數據擬合

中圖分類號： TN37+3?34; TP368 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）14?0036?05

Research on temperature measurement system based on K?type

thermocouple temperature sensor

DU Linying1， YU Hongbin1， WANG Lei2

（1. School of Mechanical Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China;

2. School of Mechanical Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： In allusion to the requirements of accuracy and convenient wireless transmission during the temperature acquisition for health state detection of the aircraft′s heat exchanger， a system for temperature acquisition using a K?type thermocouple sensor is built. In the system， the collected data is transmitted via WiFi. The static calibration and data fitting methods are used to improve the measurement accuracy. The system in combination with the upper computer can realize real?time collection， storage， analysis and historical query of the temperature far away from the harsh practical working environment. The experimental results show that the system is low?cost， and easy to operate with its sensor measurement accuracy controlled within 0.5 ℃ after static calibration and data fitting， which can achieve accurate temperature acquisition.

Keywords： state detection; K?type thermocouple; temperature sensor; WiFi transmission; static calibration; data fitting

0 ?引 ?言

在工業工程應用中，溫度是常用的被控參數之一，溫度的采集和工業的控制技術占據重要地位，也得到了迅速發展和廣泛應用[1?2]。我國飛機空調系統故障率較高，這給飛機運行造成了極大的影響[3]。熱交換器是飛機空調系統中重要的組成部件，在飛機環境控制系統的各種故障模式中，熱交換器的故障是最復雜的而且影響極大。近年來，國內外學者對飛機熱交換器故障診斷進行研究[4?5]，研究表明，當熱交換器污垢增多時，換熱效率也隨之降低，直觀表現在初級和次級熱交換器出口溫度升高，當溫度達到一定值時，表明熱交換器健康狀態差，需要清洗或維修[6]。在傳統的溫度采集系統中，RS 232串口通信可靠性高[7?8]，硬件接口簡單，但是在采集飛機熱交換器出口溫度時，現場噪聲大，環境惡劣，因此需要一個簡單易操作，適應工作環境的通信方式。針對這一實際問題，提出基于WiFi無線傳感網絡的現場采集飛機熱交換器出口溫度的系統。WiFi具有通信組網能力強、成本低、功耗低、體積小、信號穿透性好等優點[9]，能夠使檢修人員在遠離現場的情況下精確采集到所需溫度數據，改善檢修人員的工作環境。本系統基于AVR單片機[10]的溫度采集系統，以K型螺釘式熱電偶溫度傳感器[11?12]作為溫度采集單元，ATmega16A單片機為主控芯片，USR?C215無線WiFi模塊作為傳輸模塊。利用上位機平臺，完成溫度數據的采集、分析、顯示、存儲和報警等工作，研制出采集溫度時，不但可遠離噪聲大、環境差的采集環境，而且可實現實時監控的方案。

1 ?總體方案設計

系統采用模塊化設計，包括K型熱電偶傳感器溫度采集終端模塊、AVR單片機控制模塊、WiFi無線數據傳輸模塊和監控界面及數據分析平臺，另外通過在停機坪現場測試驗證系統方案的可行性和可靠性。系統具體主要由上位機、數據采集模塊、單片機、通信模塊和報警模塊組成。溫度采集模塊經過轉換芯片轉換之后，將數字信號發送給單片機進行處理。通過WiFi模塊與上位機進行無線通信，將溫度數據發送給上位機，上位機通過程序設計對采集到的數據進行分析，與實際情況進行對比，當溫度超過安全范圍時，單片機啟動報警電路，同時上位機將數據保存，以便日后查詢分析。系統總體設計圖如圖1所示。

2 ?系統硬件設計

硬件系統主要完成溫度的采集、數據的處理和數據的傳輸，根據要求整體電路選用低功耗方案。系統硬件主要包括MCU中央處理器、WiFi通信模塊、K型熱電偶傳感器溫度采集終端和報警模塊。在電路設計過程中，除了特別需要的LED顯示燈，剩余大部分元器件都使用的是貼片元件，組裝密度高，重量輕，元器件之間布線距離短，高頻性能好，適用于本系統便于攜帶的需求。

2.1 ?MCU中央處理器模塊

本系統使用的是ATmega16A單片機。ATmega16A是高性能、低功耗的8位AVR單片機，16 KB可自編程存儲器，512 B E2PROM，擦寫壽命為100 000次，這為產品的反復修改和開發提供了極大的方便。ATmega16A作為中央處理器，整個系統的控制中心有32個可用I/O口，在用C語言進行編程時，要將I/O口的輸入、輸出設定好。在設計電路時，要明確晶振、電源等外圍電路。

2.2 ?WiFi通信模塊

本系統采用基于WiFi的數據檢測方案，主要包括前端數據采集端、分布式無線接入點和上位機控制中心。整個飛機熱交換器溫度采集傳輸系統構成如圖2所示。

2.3 ?K型熱電偶傳感器溫度采集終端

對于K型熱電偶蕊及測溫電偶絲，如果將熱電偶的熱端加熱，使得冷、熱兩端的溫度不同，則在該熱電偶回路中就會產生熱電勢，這種物理現象稱為熱電現象（即熱電效應）。閉合回路示意圖如圖3所示。

圖中，熱電現象產生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢組成，A和B是兩種不同的金屬。A和B接觸時，在接觸處會有電子擴散現象發生，AB之間會產生接觸電勢，電勢定義為：

[ eAB（T）=k0TelnnAnB] （1）

式中：[k0]為玻爾茲曼常數，值為[1.38×10-23 J/K];[T]為絕對溫度;[nA]和[nB]為金屬材料A和B的自由電子密度;[e]為電子電荷電量，值為[1.6×10-10 C]。

當任何一種金屬的兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，因此產生電勢差，即溫差電勢，電勢定義為：

[eA（T0，T1）=UT0-UT1] （2）

在實際情況中，同一種金屬產生的溫差電勢極小，是可以忽略的。假設將金屬A兩端分別放在高、低溫區，且[T0]>[T1]，則熱電偶的閉合回路電勢[EAB（T0，T1）]可表示為：

[EAB（T0，T1）=eAB（T0）-eAB（T1）=Ke（T0-T1）lnnAnB]

（3）

式（3）表示的是相對于冷端而言熱端的溫度，在溫度測量時需要得到的是以0 ℃為基準的熱端溫度，因此需要通過[EAB（T0，0）]，[EAB（T0，T1）]和[T0]求出，這個過程就是熱電偶的冷端溫度補償。

冷端溫度補償的方法有很多種，本系統采用的是冰點補償法，即通過將補償導線末端放入冰水混合物恒溫器中的方法，把熱電偶冷端的溫度調為0 ℃，這樣可直接得到熱端的溫度。

熱電偶靜態校準過程如下：

1） 將熱電偶的量程分為n個間距相等的點;

2） 按照等間矩點分成的標準量從小到大依次輸入;

3） 按照等間矩點分成的標準量從大到小依次輸入。

依次重復步驟2）和步驟3），記錄測試結果。經過對熱電偶的校準，得到圖4所示結果。

由圖4可以看出，K型熱電偶傳感器線性度很好，且校準數據與分度表相差很小，因此該熱電偶性能可靠。

2.4 ?報警模塊

飛機熱交換器出口的溫度狀態分為正常、邊緣和高溫3種模式，本系統利用不同顏色的LED燈來表示其溫度狀態，表示方式如表1所示。

當熱交換器出口溫度達到邊緣狀態時，需要工作人員對其進行檢查是否需要清洗維修;當達到高溫狀態時，熱交換器需立即從飛機上拆下進行維護。為了讓現場工作人員更加清晰地了解情況，添加一個報警模塊，該模塊通過控制繼電器通斷控制警燈，當溫度超過安全范圍時，高溫報警信號發送給單片機的一個I/O口，單片機控制繼電器吸合，警燈報警。

3 ?軟件系統設計

3.1 ?人機交互界面設計

人機交互界面包括上位機顯示屏、數據分析與處理、通信監測、歷史數據查詢等部分。系統以計算機為核心，在設計過程中以Visual Studio為平臺，采用VB.net進行編程，形成完整的監測系統。整體設計框架如圖5所示。

首先，本系統是服務于飛機熱交換器出口溫度的采集上，飛機空調系統中熱交換器不止一個，因此在使用之前需要將熱交換器信息錄入到系統中，并且針對不同的目標設置相應的IP地址，通過WiFi通信模塊與路由器節點建立連接以進行準確的WiFi無線數據傳輸實現一對多通信;其次，溫度傳感器測得的數據與實際溫度相比有一定的偏差，因此在實際采集數據之前需要進行標定;最后，本系統在現場實際應用操作時，需要將熱交換器編號、使用情況及現場操作的人員錄入進去，以便對號入座。

由于現實情況的需要，溫度采集結束之后還需將所測數據保存至數據庫，包括采集溫度的時間、熱交換器在飛機空調系統中所處位置、溫度采集時熱交換器的狀態和采集數據的工作人員姓名等。這些數據將會保存在數據庫中，在需要時上位機系統可以開啟數據查詢的功能。查詢條件包括熱交換器型號名稱、熱交換器在空調系統中的位置（測試點）、數據采集的日期范圍（查詢日期），經過條件輸入，可以查詢出精確的數據。另外還可以將所查詢到的數據導出到Excel表格中，以便工作人員日后的分析處理。

3.2 ?最小二乘法數據擬合

硬件器件的選取很謹慎，在使用K型熱電偶之前進行校準，但是在實際工程應用中也難以避免發生運放電路產生誤差、溫度漂移等現象，這會對測量精度產生影響。為了進一步提高測量精度，在熱交換器出口溫度范圍內，利用最小二乘法對實際測得的數據進行擬合，并在Matlab里進行誤差的分析，并與硬件電路輸出的誤差進行對比，結果如圖7所示?？梢钥闯?，經過最小二乘法擬合之后，測量誤差由原來的小于0.9 ℃降為擬合后的小于0.5 ℃，這符合工程使用時的精度要求。

4 ?實驗測試

本系統主要應用于飛機檢修時飛機初級和次級熱交換器出口溫度的采集。隨機在熱交換器3種有代表性的不同狀態下進行測試，經過校準和擬合之后溫度測試結果如表2所示?？梢钥闯?，經過最小二乘法擬合之后隨機測量的溫度誤差小于0.5 ℃，符合設計要求，有效提高了精度。

本系統采集到的溫度數據既可以以表格的形式導出，又可以以曲線的形式呈現。曲線形式的呈現第一可以清晰地顯示出歷史數據，第二可以將溫度的變化趨勢呈現出來，第三可以將數據鏈接到Matlab中進行溫度趨勢的預測。在實驗測試中，成功將歷史數據以曲線的形式呈現出來，以次級熱交換器出口溫度為例，溫度曲線圖如圖8所示。

根據溫度變化的趨勢可以分析出熱交換器性能的變化趨勢，能提高預測熱交換器換熱性能，完善溫度采集系統。經過測試，系統的各項功能都能正常實現，且操作方便，所獲數據誤差在預期范圍內，可靠性強，可以準確快速地采集到熱交換器出口溫度。

5 ?結 ?語

飛機熱交換器是飛機制冷系統中重要的組成部件，其健康狀態是飛機安全舒適運行的參考指標。本文設計一套低成本、可靠性高的采集熱交換器出口溫度的系統，利用AVR單片機和K型螺釘式熱電偶溫度傳感器實現飛機熱交換器溫度的實時采集和控制，并在Visual Studio平臺下完成上位機監控界面。通過WiFi對采集到的數據進行無線傳輸，并在上位機界面完成數據的分析處理，有效地將測量、監控和分析技術結合起來。經測試，該系統運行穩定，可操作性強，測量精度高，滿足飛機維護人員遠距離、無線對熱交換器溫度的采集和實時監控要求，工作環境得到有效的改善，工作效率得到有效的提高。

本文系統具有運行穩定、成本低、操作簡單（無需布線）、適應性強等優勢，不僅可以用于采集熱交換器出口溫度，在工業溫度采集中也有很好的應用和發展空間。

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