1、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
2、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.
3、，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 sing
4、le-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 me
5、thod 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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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CD40
12、52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
13、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
14、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-
15、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_
16、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
