基于AD595的采空区测温系统

基于AD595的煤矿采空区测温系统管伟明1梁楚华2周建平3（新疆大学机械工程学院乌鲁木齐830091）摘要：给出针对煤矿采空区煤炭自燃测温系统的设计方案,介绍了该测温系统的硬件组成和软件特点,并对测温原理进行了详细分析。系统经试验验证，该仪表精度高,操作简单，可为工业测温方法的研究提供可靠的理论依据与实践参考。关键词AD595K型热电偶采空区测温冷端补偿一、引言K型热电偶在工业测温系统中被广泛使用，其热电势和温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。在使用热电偶时对冷端的补偿是必不可少的，AD595AQ/CQ芯片是针对K型热电偶专门设计的带有冷端补偿的温度变送器，但其线性度在测量100-300°时就发生了较大的偏差。本文主要讨论的就是在采空区实际测温时如何减小这种误差。二、热电偶工作原理（一）热电偶测温原理。两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极，如图1中A、B）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势[1]。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的。其中，直接用作测量介质温度的一端称为“工作端”如图1的左侧，另一端叫做“冷端”（也称为补偿端）如图1的右侧；冷端与仪表连接，显示出热电偶所产生的热电势。图1（二）热电偶的热电势。对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1：热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；如图2所示，1号热电偶的两端是在不同的环境温度T1、T2下，这样的温度差下就会产生热电势EK1。T1环境下测得1号热电偶的电压为V1；而同类型的2号K型热电偶的两端是在同温度环境T2下，所以测得的V2=EK2；那么EK1应该为EK1=V1-V2，即为所求。图22：热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；3：当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。三、AD595测温原理及电路（一）热电偶专用芯片AD595。针对不同的测量精确度要求，有两款产品AD595A和AD595C，前者精度为±3°C，后者为±1°C，他们输出的电压值经自身的冷端补偿后符合10mv/°C的特性，由此可以算出工作端的温度。具体的工作原理在datasheet内已经详细介绍，本文重点介绍其冷点补偿的原理。AD595是利用硅集成电路对温度灵敏的特性来测量冷端电压V2的值。因此热电偶的输出电压加上此补偿电压，就如同参考接合点的温度是在0°C，所以这种补偿又称冰点补偿(icepointcompensation)。因为热电偶的参考函数皆是以0°C作为基准温度，即0°C时输出电压为0V，以经冰点补偿的电压值才可直接使用参考函数。AD595的输出的信号电压与K型热电偶输入的电动势关系式如下：3.247]011.0)204.021[(TVVVout，其中V1-V2为热电偶产生的热电势EK1，而0.04×T2为冰点补偿电压，电压单位皆为mV，温度单位为°C。如果是以线性的关系来近似热电偶的温度与电压关系，直接把AD595的输出电压除以10来转成温度值（即10mV/°C），将有不可避免的误差。如图3所示，在0-50°内偏差为±0.6，大于50°后偏差将逐渐增大。在AD595datasheet内有对应的表格可以看出偏差在100°以下较小，100-300°偏差波动在2°左右，300°后陡然上升，到600°时偏差已达到16°。这说明AD595自身的冷端补偿功能已经不能满足测量要求了，简而言之AD595已经不能靠自身的补偿功能准确的得到V2这个补偿电压值。为解决以上问题设计了以下电路。AD595温度漂移-10.000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.00-500050010001500测量温度温差图3（二）AD595测温电路。如果我们能保证3.247]011.0)204.021[(TVVVout中的V2是准确的也就解决了以上问题。再添加一块独立的AD595作为V2的测量者即可解决问题。将这块AD595的1、14脚短接，这样芯片输出的始终是AD595所处T2温度环境的电压值。此时第二块AD595输出公式为3.247]011.0)204.00[(2TVout（V1-V2=0因为热电偶短接），其中Vout2是可以通过AD采集得到的，反求得04.0011.03.247/22VoutT，根据K型热电偶分度表查出T2摄氏度下对应的V2，将正确的V2带入3.247]011.0)204.021[(TVVVout中，反求得204.02011.03.247/1TVVoutV，式中Vout可以在第一块AD595上通过AD转换采集到，再根据K型热电偶分度表查出V1热电势下对应的T1温度值，这样最终就得到了测量端的真实温度值。根据以上分析和工程其他需要特设计了如图4的电路，Vout与Vout2接到AD转换电路上即可采集数据。本电路设计可以测得零下温度，若将-10v去掉并把第7脚接地则只能测量零上温度。图4四、程序设计经过多次试验发现AD595输出电压在恒温条件下总是有2-5mv波动也就意味有0.2-0.5度的抖动。为了消除这种波动，本程序设计了去疵点，求平均，判断趋势三个函数，在工业应用得到了满意的结果。首先将1个通道的N个AD数据排序，然后剔除M个最大值，M个最小值，再求剩余的N-2M个数据的算数平均值SUM。通过多次循环得到P个SUM值，再判断这P个SUM值是否都大于上次的Vout值，若都大于则把SUMmax赋予Vout，同样若都小于上次的Vout值则把SUMmin赋予Vout，如果有大有小则保持上次Vout值不变。然后，按照上文描述的公式和查表方法设计程序即可。通过这样的处理和看门狗程序的保护该测温系统完全可以应用到工业环境当中。五、结束语此测温系统在阜康市大平摊煤矿采空区温度监测过程中稳定可靠，达到了满意的测量效果。其他型号热电偶也可依照此原理设计电路和算法，或尝试直接使用补偿导线来解决冷端补偿的问题。参考文献[1]查美生.热电偶配用补偿导线测温的误差分析及其实验研究.仪表技术与传感器.1998年第6期[2]马静.AD595温度-电压变换器的原理及应用.集成电路应用.2000年1期[3]张晓莹，带有红外接口的移动式温度数据采集仪的研制.计算机应用.2001年10期[4]林锡宽.印刷电路板回焊炉之温测纪录器—原理.e科技杂志,2001.[5]AD595datasheet作者简介管伟明（1981年），男，硕士，2005年毕业于新疆大学采矿工程专业，现新疆大学攻读机械电子硕士学位。13999190583