热流传感器信号采集系统硬件的设计应用

2009-08-03 11:49:19来源: 电子设计工程

  1 引言

  热流又称热流密度,指单位时间内单位面积所传递的热量(矢量)。其表征就是转移的热量、传递的大小和方向,而热流传感器(热流计或热流量计)就是测量热流大小的元件。热流的测试方法很多,有瞬态法,水卡法等。瞬态法热流传感器的工作原理是通过热电效应,产生与热流值存在一定关系的电压。Gardon型热流传感器就是一种瞬时法测量。

  在研究Gardon型热流传感器时发现,热流传感器的输出与其热沉体的温度有关,当热沉体温度上升到250°C,传感器的输出与热流密度成非线性。研究热沉体的温度与传感器的输出关系,有助于拓宽传感器的测试时间。该系统设计的主要目的是在采集传感器信号的同时。采集热沉体温度信号。

  2 系统组成及设计

  该采集系统的信号有两组:一组是热流密度值对应的电压值,即测量信号;一组是由监测温度的热电偶输出电压值,即监测信号。而对于两组信号的采集与处理,采用不同方法:测试信号采用专用的放大器和滤波器;监测信号则采用热电偶的专用处理器件。这样采集系统功能齐全,体积小,使用方便。

  采集系统要与上位机实现通信,且上位机要控制采集卡的工作状态(开始工作,停止工作,读数等)。所以采集系统与上位机的接口采用RS-232串口。系统组成框图如图1所示。

系统组成框图

  整个测试系统包含测试信号调理、温度信号处理、控制、存储、通信以及电源等模块。以下主要介绍测试信号调理及温度信号处理模块。

  2.1 测量信号调理模块

  Gardon型热流传感器,其输出的热电势与入射热流成正比。由于实际输出的热电势比较小,不一定满足单片机采样要求。因此,必须对信号进行放大和中心电平的调整。热流传感器模拟信号经放大、滤波等处理后,才能进入A/D转换器进行模数转换,其测试信号调理电路如图2所示。

测试信号调理电路

  热流传感器产生的模拟信号经过图2测试信号调理电路后,信号放大、滤波性能良好,畸变率小;而且使用MAX291滤波器,可以增加信号的可靠性和稳定性。避免分立元件的各种误差、漂移影响。图3是调理电路滤波前后效果对比图。

调理电路滤波前后效果对比图

  2.2 温度信号处理模块

  监测温度信号为K型热电偶的输出信号。而热电偶信号调理电路包含有冷端补偿,线性化,放大电路。经过调理后的热电偶信号再送往A/D转换器进行模数转换。据资料显示,这3部分电路的设计及调试,难度过高且所占体积也不小,所以都不是设计首选。因此对热电偶信号的调理及采集采用专用器件MAX6675。MAX6675是Maxim公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器,其温度分辨能力为0.25℃,冷端补偿范围为-20℃~十80℃,工作电压为3.0~5.5 V。该器件不仅大大简化电路设计,缩小温度信号处理模块的体积,而且可直接将模拟信号转换成12bit的数字量,而且接口简单,采用SPI串行接口,方便与单片机通信。该器件采用SO-8封装,体积小,可靠性高。图4为单片机控制MAX6675的输出波形及时序。

单片机控制MAX6675的输出波形及时序

  3 软件控制

  使用C8051单片机作为控制器。控制测量信号的采集及与MAX6675的接口,且通过RS-232串口与上位机实现数据交换,上位机通过串口向采集系统发送命令,控制其工作的状态。同时采集系统还带有1 GB的Flash,实现数据的存储功能。该系统的程序流程如图5所示。

系统的程序流程

  4 实验结果

  系统上电工作后,通过上位机对系统进行相关操作,系统启动MAX6675的控制,并存储相关数据。图6为某次测试实验的相关数据。

某次测试实验的相关数据

  该组数据通过相关的画图软件,将得到在实验过程中热沉体温度的曲线,如图7所示,其测试时间为1 200 s。

在实验过程中热沉体温度的曲线

  5 结论

  该热流传感器采集系统较好完成所提出的设计任务。由于采用集成化思想,减小系统体积。在热流传感器温度的监测方面,系统精度高,再现传感器工作过程中的温度变化,并通过监测温度修正传感器输出,从而拓展传感器的测试时间。

关键字:热流  热流传感器  温度  AD623  MAX291  MAX6675

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/0803/article_1629.html
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