摘要：本文介紹一種基于熱電偶響應曲線時間常數方法的電解質溫度動態(tài)測量方法，利用AT90S8515單片機設計了一種智能測溫裝置，分析了其硬件與軟件的設計思想。實驗證明該裝置在動態(tài)測溫過程中重復性好，測量精度高。
關鍵詞：動態(tài)測溫，熱電偶，時間常數，單片機

    電解質溫度是電解過程中的重要參數，目前仍主要采用熱電偶測量。由于電解質是強腐蝕介質，為避免與介質接觸的腐蝕，雖然研制過一些帶特殊保護套的熱電偶， 但由于測量誤差太大而未能在實踐中得到推廣應用；基于最小二乘法的動態(tài)測溫方法雖然取得了一定成果，但仍存在不能可靠收斂和溫度預報精度難以進一步提高等 問題。本文介紹基于熱電偶測溫響應特性的基于時間常數算法，它具有可靠的收斂性和滿意的測量精度，用于腐蝕性介質溫度的在線測量行之有效。

1 基于時間常數的動態(tài)測溫方法

    動態(tài)測溫的基本思想是，通過熱電偶與高溫電解質接觸時對所采集到的過渡過程某段時間內的溫度信號，根據數學模型，利用計算機對有限的數據進行處理，及時給出被測介質溫度。

  
1.1熱電偶的響應特性及其數學模型
    常溫下的熱電偶突然插入高溫被測介質的響應過程如圖1所示。它近似于一階慣性環(huán)節(jié)，響應過程可以描述為：
θ=θ∝ ×[1-e-(t-t0)/τ]。   （1）
    式中τ是熱電偶的慣性時間常數，θ∝是穩(wěn)態(tài)溫度。
1.2 基于時間常數的方法              
    在動態(tài)過程中假設第N次采集所得溫度值為θ(N)，對應該次采樣值計算得到的斜率為K(N),時間常數為τ(N)，則從圖1和式（1）可知，電介質的穩(wěn)態(tài)溫度為：             θ∝=θ(N)+ K(N)×τ(N)             （2）
式中         K(N)=dθ/dt=[θ∝× e-(tN-t0)/τ（N）]/τ(N)    （3）
    由于響應曲線時間常數未知，而且響應曲線按一定周期采樣，信號在時間上是離散的，（3）式不能直接利用。因此斜率按以下給出的差分方法求�。�
      K(N)=∑Cj×[θ(N+j)－θ(N－j)]/2  ( j=1,2 )     (4)
    根據地系統(tǒng)特性要求，式中C1、C2�。篊1=0.2576，C2=0.3712。
    時間常數與感溫材料構造和幾何尺寸等有關，雖然可由經驗公式或實驗方法得到，但不具備實時性。為考慮實際使用過程中時間常數的改變，采用以下在線實時計算方法求取時間常數。
    若忽略式（1）的響應特性與熱電偶的實際特性之間的偏差。則可以認為兩個連續(xù)采樣點對應的時間常數滿足：τ(N)≈τ(N－1)≈τ
    由（3）式可得：  K(N)/K(N－1)= e-tN/τ/e-tN-1/τ=e-NΔT/τ/ e-(N-1)ΔT/τ=e-ΔT/τ
    兩邊取對數得：   τ=ΔT/In[K(N)/K(N－1)]     (5)

2 動態(tài)測溫裝置硬件

    電解質基于熱電偶的動態(tài)測溫裝置以ATMEL公司的AT90S8515單片機為處理器，配備A/D轉換接口、鍵盤、LCD顯示器和RS-232C通信口。 8515內含8KB可在線下載的Flash、512BE2PROM和512BSRAM,不需外接存儲器,其硬件結構框圖如圖2。為提高模數轉換精度，采用 AD公司12位模數轉換器AD7888對經過放大、調理之后的K型熱電偶電壓信號進行模數轉換，AD7888具有8路模擬通道，125KSPS的采樣速 率，轉換結果數據從可與SPI匹配的串行接口輸出。8515的SPI口（PB4、PB5、PB6、PB7）與AD7888串行口采用同步通信方式通信，獲 取溫度采樣數據，按上述基于時間常數的動態(tài)測溫算法進行處理，被采集通道的最終穩(wěn)態(tài)溫度值送LCD顯示。

3提高測量精度的措施     

    ①為使熱電偶輸出盡可能接近理想特性，應使熱電偶充分冷卻后再進行下一次測量，相鄰兩次間的測量周期至少需保證5min以上。由于熱偶在低溫段與指數規(guī)律 相差較大，因此當溫度低于200℃（滿量程為1000℃），不進行計算和預報；理想的測量預報段在300℃至850℃之間。
    ②為消除噪聲和模型誤差給時間常數計算帶來的影響，在對各點所求得的時間常數進行平滑濾波后，再按式（6）對由（2）式得到的溫度進行平滑濾波，直至滿足式（7）中設定的誤差極限ε為止。
               θ∝(N)=αθ∝(N-1)+(1-α)θ∝(N)     (6)
                θ∝(N)- θ∝(N-1) ≤ε             （7）
    式（6）中，θ∝(N)是第N次采樣溫度值，θ∝(N)是第N次濾波輸出溫度值，α是濾波加權系數,0＜α＜1。
③在高速采樣情況下，從式(5)可知斜率的微小誤差將引起時間常數較大的誤差,因此實際測量時需要連續(xù)計算各點斜率比,并對其進行防脈沖干擾滑動濾波,以便得到一個穩(wěn)定的斜率比。

4 軟件編程

    AVR單片機支持高級語言編程,為縮短開發(fā)時間,編程過程中采用了功能強、庫函數豐富的CodeVision C編譯器編制系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件由鍵盤處理、數據采集與處理計算、顯示、通信等子程序組成。數據采集處理子程序流程如圖3。
                  

                  圖3 系統(tǒng)溫度采集與處理子程序流程

5 實驗結果

    為驗證測量方法的可行性，對保溫爐內電解質進行了實際溫度測量，測量數據如表1。結果表明，在熱電偶初溫不過高的情況下，該裝置具有較好的重復性和滿意的測量精度，且測量時間短。
表1   

    
注：電解質：Na3AlF6－Al2F3－Al2O3,其中4%Al2O3,4%CaF2；K型熱電偶，直徑10㎜，時間常數約20s，一次平衡法測溫時間為120s。

參考文獻
[1]  喻學斌.  鋁電解槽控制模型研究.（博士論文）  長沙：中南大學1994
[2]  耿德根.  AVR高速嵌入式單片機原理及應用[M].  北京航空航天大學出版社,2001.4
[3]  孫傳友.  測控電路及裝置[M]. 北京航空航天大學出版社,2002.5