AVR单片机在动态测量腐蚀性电解质温度的应用

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摘要:本文介绍一种基于热电偶响应曲线时间常数方法的电解质温度动态测量方法,利用AT90S8515单片机设计了一种智能测温装置,分析了其硬件与软件的设计思想。实验证明该装置在动态测温过程中重复性好,测量精度高。
关键词:动态测温,热电偶,时间常数,单片机

    电解质温度是电解过程中的重要参数,目前仍主要采用热电偶测量。由于电解质是强腐蚀介质,为避免与介质接触的腐蚀,虽然研制过一些带特殊保护套的热电偶, 但由于测量误差太大而未能在实践中得到推广应用;基于最小二乘法的动态测温方法虽然取得了一定成果,但仍存在不能可靠收敛和温度预报精度难以进一步提高等 问题。本文介绍基于热电偶测温响应特性的基于时间常数算法,它具有可靠的收敛性和满意的测量精度,用于腐蚀性介质温度的在线测量行之有效。

1 基于时间常数的动态测温方法

    动态测温的基本思想是,通过热电偶与高温电解质接触时对所采集到的过渡过程某段时间内的温度信号,根据数学模型,利用计算机对有限的数据进行处理,及时给出被测介质温度。

  
1.1热电偶的响应特性及其数学模型
    常温下的热电偶突然插入高温被测介质的响应过程如图1所示。它近似于一阶惯性环节,响应过程可以描述为:
θ=θ∝ ×[1-e-(t-t0)/τ]。   (1)
    式中τ是热电偶的惯性时间常数,θ∝是稳态温度。
1.2 基于时间常数的方法              
    在动态过程中假设第N次采集所得温度值为θ(N),对应该次采样值计算得到的斜率为K(N),时间常数为τ(N),则从图1和式(1)可知,电介质的稳态温度为:             θ∝=θ(N)+ K(N)×τ(N)             (2)
式中         K(N)=dθ/dt=[θ∝× e-(tN-t0)/τ(N)]/τ(N)    (3)
    由于响应曲线时间常数未知,而且响应曲线按一定周期采样,信号在时间上是离散的,(3)式不能直接利用。因此斜率按以下给出的差分方法求取:
      K(N)=∑Cj×[θ(N+j)-θ(N-j)]/2  ( j=1,2 )     (4)
    根据地系统特性要求,式中C1、C2取:C1=0.2576,C2=0.3712。
    时间常数与感温材料构造和几何尺寸等有关,虽然可由经验公式或实验方法得到,但不具备实时性。为考虑实际使用过程中时间常数的改变,采用以下在线实时计算方法求取时间常数。
    若忽略式(1)的响应特性与热电偶的实际特性之间的偏差。则可以认为两个连续采样点对应的时间常数满足: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
    两边取对数得:   τ=ΔT/In[K(N)/K(N-1)]     (5)

2 动态测温装置硬件

    电解质基于热电偶的动态测温装置以ATMEL公司的AT90S8515单片机为处理器,配备A/D转换接口、键盘、LCD显示器和RS-232C通信口。 8515内含8KB可在线下载的Flash、512BE2PROM和512BSRAM,不需外接存储器,其硬件结构框图如图2。为提高模数转换精度,采用 AD公司12位模数转换器AD7888对经过放大、调理之后的K型热电偶电压信号进行模数转换,AD7888具有8路模拟通道,125KSPS的采样速 率,转换结果数据从可与SPI匹配的串行接口输出。8515的SPI口(PB4、PB5、PB6、PB7)与AD7888串行口采用同步通信方式通信,获 取温度采样数据,按上述基于时间常数的动态测温算法进行处理,被采集通道的最终稳态温度值送LCD显示。

  

3提高测量精度的措施     

    ①为使热电偶输出尽可能接近理想特性,应使热电偶充分冷却后再进行下一次测量,相邻两次间的测量周期至少需保证5min以上。由于热偶在低温段与指数规律 相差较大,因此当温度低于200℃(满量程为1000℃),不进行计算和预报;理想的测量预报段在300℃至850℃之间。
    ②为消除噪声和模型误差给时间常数计算带来的影响,在对各点所求得的时间常数进行平滑滤波后,再按式(6)对由(2)式得到的温度进行平滑滤波,直至满足式(7)中设定的误差极限ε为止。
               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次采样温度值,θ∝(N)是第N次滤波输出温度值,α是滤波加权系数,0<α<1。
③在高速采样情况下,从式(5)可知斜率的微小误差将引起时间常数较大的误差,因此实际测量时需要连续计算各点斜率比,并对其进行防脉冲干扰滑动滤波,以便得到一个稳定的斜率比。

4 软件编程

    AVR单片机支持高级语言编程,为缩短开发时间,编程过程中采用了功能强、库函数丰富的CodeVision C编译器编制系统软件。系统软件由键盘处理、数据采集与处理计算、显示、通信等子程序组成。数据采集处理子程序流程如图3。
                  


                  图3 系统温度采集与处理子程序流程


5 实验结果

    为验证测量方法的可行性,对保温炉内电解质进行了实际温度测量,测量数据如表1。结果表明,在热电偶初温不过高的情况下,该装置具有较好的重复性和满意的测量精度,且测量时间短。
表1   

    
注:电解质:Na3AlF6-Al2F3-Al2O3,其中4%Al2O3,4%CaF2;K型热电偶,直径10㎜,时间常数约20s,一次平衡法测温时间为120s。

参考文献
[1]  喻学斌.  铝电解槽控制模型研究.(博士论文)  长沙:中南大学1994
[2]  耿德根.  AVR高速嵌入式单片机原理及应用[M].  北京航空航天大学出版社,2001.4
[3]  孙传友.  测控电路及装置[M]. 北京航空航天大学出版社,2002.5

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