基于單片機的溫度檢測系統(tǒng)設計

1、摘要科學的發(fā)展，往往是由于新的觀測手段的發(fā)現(xiàn)而獲得的。從今天進入信息時代來看，儀器儀表是實現(xiàn)信息的獲取、轉化、處理和揭示物質活動規(guī)律的必要工具。在現(xiàn)代化建設中儀器儀表的裝備水平在很大程度上反映出一個國家的生產(chǎn)力發(fā)展的現(xiàn)代化水平和科學技術的現(xiàn)代化水平。本文介紹的是以AT89C52單片機系統(tǒng)和傳統(tǒng)的溫度測量元件熱電偶相結合的溫度檢測系統(tǒng)。其中，熱點偶是計量技術中最常用的溫度傳感器，它的應用在生產(chǎn)技術和測量學上曾引起跨時代的變革。熱電偶結構簡單、容易制造、價格便宜、準確度高、測量范圍廣。本系統(tǒng)測溫原理簡單，選用了精密的測量元器件和抗干擾的電子元件。本溫度測量儀的特點是：使用簡便，測量穩(wěn)定、可靠，測溫

2、范圍大，使用對象廣。本文介紹了溫度測量儀的研制，包括溫度傳感器測溫電路的設計、單片機系統(tǒng)電路的設計及軟件算法的實現(xiàn)，其主要內(nèi)容如下：1、根據(jù)實際測量要求制訂出一次儀表傳感器的選擇，并且解決了熱電偶測量過程中存在的冷端溫度不為0的傳統(tǒng)問題。2、設計了合適的信號調(diào)理電路，很好地解決了熱電偶電勢與溫度之間非線性的問題。3、設計了單片機硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、溫度值的實時顯示和控制。4、設計了能夠實現(xiàn)溫度測量與控制的軟件系統(tǒng)。5、從原理上分析了該系統(tǒng)的測量誤差。關鍵詞：溫度檢測；熱電偶；冷端補償；單片機ABSTRACTThe development of science because th

3、at a new observed means was been acquired. Now, we have entered the age of information, instrument has become the necessary tool to acquire, convert and handle information. It has been a tool to open out the regulation of material moving. Instruments and meters' equipment level reflects a countr

4、y to a great extent in the modernization the productive forces development and the science and technology modernized level.The temperature measurement system introduced in the thesis was developed by combining an AT89C52 single chip microcomputer system and traditional temperature measuring element

5、thermo-element. And, the thermocouple is the most common appearance in the field of measure temperature. Its application has caused the changes of spanning centuries in the technique of product and measure science. Thermocouple is simple, easy been manufactured, cheap, high precise and wide scope of

6、 measuring. Temperature measurement principles on this system are very simple, the precise survey primary device and the antijamming electronic component has been used in the system. The instrument has the characteristics of simple operation, reliable performance, wide measurement range and various

7、application fields.In the thesis, the development of the temperature measuring set was introduced, with the design of temperature measurement circuit, the design of circuits in the single chip microcomputer system and the software algorithm realizes. The main content of the thesis is as follows:1. T

8、he plan was drawn up for selecting the temperature sensor according to the practical measurement demands. In addition, the problem that the temperatures of the reference end of the thermocouple is not 0 in measurement has been solved.2. Has designed the appropriate signal recuperation circuit, for s

9、olved well between the thermo-element electric potential and the temperature the misalignment question.3. A hardware system of single chip microcomputer was designed. It can realize data acquisition, timely displaying and controlling.4. Software system was able to realize the temperature survey and

10、the control has been designed in the thesis.5. By theory has analyzed this system's measuring error.Key words: temperature measurement; thermocouple; thermocouple cold-compensation;single chip microcomputer目錄摘要IABSTRACTII目錄IV第1章 緒論11.1 引言11.2 國內(nèi)外測溫主要方法11.2.1 利用物體熱脹冷縮原理制成的溫度計11.2.2 利用熱電效應技術制成的溫度檢

11、測元件21.2.3 利用熱阻效應技術制成的溫度計21.3 國內(nèi)外儀器儀表發(fā)展狀況31.4 正在研究的溫度檢測技術41.5 課題研究背景及本文主要內(nèi)容5第2章 熱電偶測溫的基本原理62.1 方案的提出62.2 熱電偶測溫的基本原理62.3 熱電偶閉合回路的總熱電動勢92.4 數(shù)據(jù)采集部分的設計102.4.1 熱電偶的種類102.4.2 熱電偶的選擇112.4.3 補償導線的選擇122.4.4 絕緣物與保護管的選擇132.5 熱電偶的冷端補償15第3章 溫度測量儀硬件設計183.1 電路設計整體思路183.2 單片機介紹183.3 熱電偶信號調(diào)理電路193.3.1 直流穩(wěn)壓電源193.3.2 熱電

12、偶冷端溫度補償電路203.3.3 低通濾波和陷波電路213.3.4 放大模塊223.4 A/D接口電路233.5 時鐘及復位電路243.6 顯示電路253.7 鍵盤輸入電路263.8 溫度控制電路263.9 控制部分完整電路圖27第4章 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)284.1 A/D轉換子程序284.2 數(shù)字濾波子程序294.3 溫度標度變換294.4 顯示子程序304.5 鍵盤處理子程序314.6 比較子程序314.7 控制子程序32第5章 誤差分析345.1 熱電偶帶來的測量誤差345.1.1 熱電偶安裝引起的測量誤差345.1.2 熱電偶固有特性引起的誤差345.1.3 檢定過程中引起的誤差355.2

13、單片機系統(tǒng)帶來的誤差36第6章 結論與展望376.1 結論376.2 展望37致謝38參考文獻39附錄40第1章 緒論1.1 引言溫度是科學技術中最基本的物理量之一，物理、化學、生物等科學都離不開溫度。在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造、糧食存儲、酒類生產(chǎn)等領域，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的重要的參數(shù)之一。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對溫度測量的要求就越來越高，而且測量的范圍越來越廣，對溫度檢測技術的要求也越來越高。因此，溫度測量和溫度控制技術的研究也是一個重要的研究課題1?！肮び破涫?，必先利其器”，這是中國的一句古話，人們早就知道工具的重要性。隨著以知識經(jīng)濟為特

14、征的信息時代的到來，人們對儀器儀表作用的認識愈加深入。作為工業(yè)自動化技術工具的自動化儀表與控制裝置，在高能新技術的推動下，正跨入真正的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的時代。在工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中都需要對溫度進行測量和控制。尤其實在一些大型工業(yè)中，溫度更是一個至關重要的參數(shù)。如果溫度計選擇不當，或者測試方法不適宜，均不能得到滿意結果。1.2 國內(nèi)外測溫主要方法隨著國內(nèi)外工業(yè)的日益發(fā)展，溫度檢測技術也不斷地進步，目前的溫度檢測使用的溫度計種類繁多、應用范圍也較廣泛，大致包括以下幾種方法。1.2.1 利用物體熱脹冷縮原理制成的溫度計利用此原理制成的溫度計大致分為三大類：(1) 玻璃溫度計，它是利用玻璃感溫包

15、內(nèi)的溫測物質（水銀、酒精、甲苯、煤油等）受熱膨脹、遇冷收縮的原理進行溫度測量的；(2) 雙金屬溫度計，它是采用膨脹系數(shù)不同的兩種金屬牢固粘合在一起制成的雙金屬片作為感溫元件，當溫度變化時，由于兩種金屬膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生彎曲，自由端的位移通過傳動機構帶動指針指示出相應溫度；(3) 壓力式溫度計，它是有感溫物質（氮氣、水銀、二甲苯、甲苯、甘油和低沸點液體如氯甲烷、氯乙烷等）隨溫度變化，壓力發(fā)生相應變化，用彈簧管壓力表測出它的壓力值，經(jīng)換算得出被測物質的溫度。1.2.2 利用熱電效應技術制成的溫度檢測元件利用此技術制成的溫度檢測元件主要是熱電偶。熱電偶發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應用最廣泛的檢測元件

16、。它是用熱電偶測得相應的熱電動勢，由儀表顯示出溫度的一種溫度計。它是由熱電偶、冷端補償及測量儀表構成的，廣泛用來測量-2001300范圍內(nèi)的溫度。在特殊情況下，可測至2800的高溫或4K的低溫。熱電偶具有結構簡單、制作容易、測量范圍寬、精度高、熱慣性小、適于遠距離測量與自動控制等特點。常見用的熱電偶有以下幾種：(1) 鎳鉻鎳硅，型號為WRN，分度號為K測溫范圍0900，短期可測1200。(2) 鎳鉻康銅，型號為WRK，分度號為F，測溫范圍0600，短期可測800。(3) 鉑銠鉑，型號為WRP，分度號為S，在1300以下的溫度可長期使用，短期可測1600。(4) 鉑銠30鉑銠6，型號為WRR，分

17、度號為B，測溫范圍3001600，短期可測1800。其它還有非常用的熱電偶。1.2.3 利用熱阻效應技術制成的溫度計用此技術制成的溫度計大致可分成以下幾種：(1) 電阻測溫元件，它是利用感溫元件（導體）的電阻隨溫度變化的性質，將電阻的變化值用顯示儀表反映出來，從而達到測溫的目的。目前常用的有鉑熱電阻（分度號為Pt100、Pt10兩種）和銅熱電阻（分度號為Cu50、Cu100兩種）。(2) 導體測溫元件，它與熱電阻的溫度特性剛好相反，即有很大副溫度系數(shù)，也就是說溫度升高時，其值降低。他們的關系為： (1.1)式中：在溫度(K)時的電阻值()；在溫度(K)時的電阻值()；e自然對數(shù)的底，等于2.7

18、81；B常數(shù)，其值與半導體材料的成分和制作方法有關2。還有利用熱輻射原理制成的高溫計，利用聲學原理進行溫度測量，利用紅外測溫技術，利用陶瓷熱敏元件制成的測溫計等，在此不多贅述。1.3 國內(nèi)外儀器儀表發(fā)展狀況科學的發(fā)展，往往是由于新的觀測手段的發(fā)現(xiàn)而獲得的。從今天進入信息時代來看，儀器儀表是實現(xiàn)信息的獲得、轉化、存取、處理和揭示物質活動規(guī)律的必要工具，是當今普遍稱之為時代標志的信息科技的三大支柱（信息獲得與處理，信息傳輸與通信，電子技術及計算機）的必要手段，也是新技術革命的一項重要內(nèi)容。在現(xiàn)代化建設中，人們對儀器儀表因其對產(chǎn)品質量所起到的監(jiān)測作用，在技術上有著高層次的要求，因而儀器儀表工業(yè)是促進

19、國民經(jīng)濟各部門技術進步，進行技術改造，提高勞動生產(chǎn)率和社會經(jīng)濟效益，開發(fā)與節(jié)約能源和材料的先導工業(yè)，儀器儀表的裝備水平在很大程度上反映出一個國家的生產(chǎn)力的發(fā)展和科學技術的現(xiàn)代化水平。根據(jù)儀器儀表所采用的顯示方式和功能，可以將儀器儀表分為三代產(chǎn)品，即模擬儀器儀表，數(shù)字式儀器儀表和智能化儀器儀表。(1) 模擬式儀器儀表這種儀器儀表至今仍在各種場合被廣泛地使用著。這種儀器儀表顯示部分地基本結構是利用電磁力相互作用原理，通過指針相對于標尺的位移來顯示最終測量讀數(shù)。(2) 數(shù)字式儀器儀表與模擬式儀器儀表相比數(shù)字式儀器儀表更高的測量精度與響應速度。這類儀器儀表的基本原理在于將代測的信號轉化為數(shù)字信號進行測

20、量。今天數(shù)字化儀表的增長速度己遠遠超過模擬式儀器儀表。(3) 智能化儀器儀表這類儀器儀表大致可以分為兩類：一類內(nèi)含微處理器，稱為“微機化儀表”，另一類，儀器本身與微型機在硬件結構上是分開的，但儀器由微型機控制進行數(shù)據(jù)采集與處理，成為智能化儀器。智能儀器儀表以微電子器件代替常規(guī)電子線路，以微處理器為核心，具有信息采集，顯示，處理，傳輸及優(yōu)化控制等功能，甚至具有輔助專家進行推斷分析與決策的能力。智能化儀器儀表一出現(xiàn)就顯示了它的強大生命力，現(xiàn)已成為上個世紀80年代以來儀器儀表發(fā)展的一個主要方向。1.4 正在研究的溫度檢測技術近年來，在溫度檢測技術領域，多種新的檢測原理與技術的開發(fā)應用，已取得了重大進

21、展。新一代溫度檢測元件正在不斷出現(xiàn)和完善化。(1) 晶體管溫度檢測元件半導體溫度檢測元件是具有代表性的溫度檢測元件。半導體的電阻溫度系數(shù)比金屬大12個數(shù)量級，二級管和三極管的PN結電壓、電容對溫度靈敏度很高?；谏鲜鰷y溫原理已研制了各種溫度檢測元件。(2) 集成電路溫度檢測元件利用硅晶體管基極發(fā)射極間電壓與溫度關系（即半導體PN的溫度特性）進行溫度檢測，并把測溫、激勵、信號處理電路和放大電路集成一體，封裝于小型管殼內(nèi)，即構成了集成電路溫度檢測元件。目前，國內(nèi)外也進行了生產(chǎn)。(3) 核磁共振溫度檢測器所謂核磁共振現(xiàn)象是指具有核自旋的物質置于靜磁場中時，當與靜磁場垂直方向加以電磁波，會發(fā)生對某頻率

22、電磁的吸收現(xiàn)象。利用共振吸收頻率隨溫度上升而減少的原理研制成的溫度檢測器，稱為核磁共振溫度檢測器。這種檢測器精度極高，可以測量出千分之一開爾文，而且輸出的頻率信號適于數(shù)字化運算處理，故是一種性能十分良好的溫度檢測器。在常溫下，可作理想的標準溫度計之用。(4) 光纖溫度檢測器在常規(guī)辦法無法測量的場合，光纖測溫得到較快發(fā)展。光纖溫度檢測器是目前光纖傳感器中發(fā)展較快的一種，已開發(fā)了開關式溫度檢測器、輻射式溫度檢測器等多種實用型的品種。(5) 純貴金屬熱電偶的研究由兩種純金屬組成的熱電偶，因其材料均勻性遠優(yōu)于合金材料，因而穩(wěn)定性好的多。在鉑鍺合金熱電偶（S、R型）的不確定度已很難提高之后，人們開始尋找

23、由純貴金屬組成的熱電偶，以代替S和R型熱電偶，作為傳遞的標準。(6) 信息技術時代自動化系統(tǒng)中的溫度檢測儀表現(xiàn)代的工業(yè)過程自動化系統(tǒng)是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，它是信息技術進入工業(yè)自動化后出現(xiàn)的新一代的自動控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自控裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。所有的現(xiàn)場儀表（溫度檢儀表是其中一種）均接到現(xiàn)場總線上。在這樣的系統(tǒng)中，通常不應使用各有不同輸出的溫度計，必須將輸出轉變成統(tǒng)一的電信號，這樣“溫度計”就變成了“溫度變送器”。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的溫度變送器主要是熱電偶變送器和熱電阻變送器，也有輻射溫度變送器2。還有一些例如熱噪聲溫度檢測器，

24、石英晶體溫度檢測器，激光溫度檢測器，微波溫度檢測器等溫度檢測器都有不同程度的發(fā)展。1.5 課題研究背景及本文主要內(nèi)容溫度在工業(yè)生產(chǎn)當中是一個至關重要的參數(shù)，對溫度的測量和控制直接關系到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。因此，及時、準確、合理地測量工業(yè)環(huán)境中的溫度成為了人們一直關注的問題。本設計的目的就是研究一種更快速，更準確，操作起來更加方便的溫度測控系統(tǒng)。本文主要講述了用熱電偶測溫的主要原理、實際硬件電路的設計、軟件設計和誤差分析。第1章介紹了溫度檢測現(xiàn)狀和儀器儀表的發(fā)展現(xiàn)狀。第2章講述了熱電偶測溫的主要原理，說明了熱電偶實際輸出電壓和溫度之間的關系，以及如何求得總的熱電動勢。第3章講述了單片機系統(tǒng)硬件電

25、路的設計，包括熱電偶的信號調(diào)理電路的設計及單片機系統(tǒng)的設計。整套儀器是由單片機系統(tǒng)控制的，包括A/D轉換電路、時鐘和復位電路、鍵盤和LED顯示電路、溫度控制電路等。利用熱電偶測得溫度對應的電壓信號，經(jīng)過必要的放大與A/D處理后，由單片機處理所得數(shù)據(jù)，最后把結果顯示出來。其中，信號調(diào)理放大部分電路的設計是整篇課題設計的難點，投入了很大的精力。第4章介紹了本儀器的軟件設計，給出了軟件流程圖。第5章進行了誤差分析，分析了產(chǎn)生誤差的各種因素，這將有助于今后對系統(tǒng)的改進，以進一步提高系統(tǒng)的測量精度。第6章講述了通過本儀器所得的結論并對未來的發(fā)展提出了新的展望。第2章 熱電偶測溫的基本原理2.1 方案的提

26、出溫度測量有許多方法，但考慮到實際應用于較廣泛的工業(yè)領域就需要測溫范圍寬的測溫元件，同時要將溫度信號轉變成電信號來處理，因此采用熱電偶作為檢測系統(tǒng)的一次儀表。熱電偶結構簡單、容易制造、價格便宜、準確度高、測溫范圍廣，目前在大量的熱工儀表中，熱電偶作為溫度傳感器，已經(jīng)得到了廣泛的使用。2.2 熱電偶測溫的基本原理熱電偶是熱電溫度計的敏感元件。它的測溫基本原理是基于金屬導體的熱電效應。熱電效應產(chǎn)生的電勢可由三個不同的效應加以解釋，即：賽貝克(Seebeck)效應、珀爾帖(Peltier)效應和湯姆遜(Thomson)效應。(1) 賽貝克效應1821年由賽貝克發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象。兩種不同的物體A和B連接

27、在一起，構成一個閉合回路，當兩個接點1和2的溫度不同時，如圖2.1所示。如，在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，此種現(xiàn)象稱為熱電效應。該熱電動勢就是著名的“賽貝克溫差電動勢”，簡稱“熱電動勢”，計為。導體A、B稱為熱電極。接點1通常是焊接在一起的，測量時將它置于測溫場所感受被測溫度，故稱為測量端。接點2要求溫度恒定，稱為參考端（也被稱為冷端）。圖2.1 塞貝克效應示意圖()熱電偶就是通過測量熱電動勢來實現(xiàn)溫度測量的，即熱電偶測溫是基于熱電轉化現(xiàn)象熱電現(xiàn)象。如果進一步分析，則可發(fā)現(xiàn)熱電偶是一種換能器，它能將熱能轉化為電能，用所產(chǎn)生的熱電動勢測量溫度。該電動勢實際上是由接觸電勢（珀爾帖電勢）與溫差電勢（湯姆

28、遜電勢）所組成。(2) 接觸電勢（珀爾帖電勢）導體內(nèi)部的電子密度是不同的，當兩種電子密度不同的導體A與B相互接觸時，就會發(fā)生自由電子擴散現(xiàn)象，自由電子從電子密度高的導體流向電子密度低的導體。電子擴散的速率與自由電子的密度及所處的溫度成正比。例如導體A和B的電子密度分別為、并且，>，則在單位時間內(nèi)，導體A擴散到導體B的電子數(shù)比從B擴散到A的電子數(shù)多，導體A因失去電子而帶正電，B因獲得電子而帶負電，因此，在A和B間形成了電位差如圖2.2所示。圖2.2 接觸電勢一旦電位差建立起來之后，將阻止電子繼續(xù)由A向B擴散。在某一溫度下，經(jīng)過一定的時間，電子擴散能力與上述電場阻力平衡，即在A與B接觸處的自

29、由電子擴散達到了動平衡，那么，在其接觸處形成的電動勢，稱為珀爾帖電勢或接觸電勢，用符號表示。由電子理論可用下式表示： (2.1)式中：玻耳茲曼常數(shù)，等于1.380658×J/K；元電荷，等于1.60217733×C；、在溫度為T時，導體A與B的電子密度；接觸處的溫度（K）。對于導體A，B組成的閉合回路如圖2.3所示，兩接點的溫度分別為、時，則相對應的珀爾帖電勢分別為： (2.2)圖2.3 熱電偶回路的珀爾帖電勢而與的方向相反，所以，回路總的珀爾帖電勢為： (2.3)由式(2.3)看出：熱電偶回路的珀爾帖電勢只與導體的性質和兩接點的溫度有關。溫差越大，接觸電勢越大，兩種導體電

30、子密度比值越大，接觸電勢也越大。(3) 溫差電勢（湯姆遜電勢）由于導體兩段溫度不同而產(chǎn)生的電動勢稱溫差電勢。由于溫度梯度的存在，改變了電子的能量分布，高溫（）端電子將向低溫端（）擴散，致使高溫端因失電子帶正電，低溫端恰好相反，因獲電子帶負電。因而，在同一導體兩端也產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴散，最后使電子擴散建立一個動態(tài)平衡，此時所建立的電位差稱溫差電勢或湯姆遜電勢。它與溫差有關，可用下式表示： (2.4)式中，為湯姆遜系數(shù)，它表示溫差為1（或1K）時所產(chǎn)生的電動勢值，它的大小與材料性質及兩端溫度有關。圖2.4 熱電偶回路的溫差電勢對于導體A、B組成的熱電偶回路，當接點溫度時，如圖

31、2.4所示?；芈分袦夭铍妱觿輨t為導體A、B的溫差電勢的代數(shù)和，即： (2.5)上式表明，溫差電勢的大小，只與熱電極的材料及兩端的溫度有關，而與熱電極的幾何尺寸和沿熱電極的溫度分布無關。2.3 熱電偶閉合回路的總熱電動勢接觸電動勢是由于兩種不同材質的導體接觸時產(chǎn)生的電勢，而溫差電勢則是對同一導體當其兩端溫度不同時產(chǎn)生的電勢。在圖2.1所示的閉合回路中，兩個接觸點有兩個接觸電勢與，又因為>，在導體A和B中還各有一個溫差電勢如圖2.5所示。圖2.5 熱電偶回路的總熱電動勢因此，閉合回路總電動勢應為接觸電勢與溫差電勢的代數(shù)和，即： (2.6)所以： (2.7)各接點的分熱電勢等于相應的接觸電勢與

32、溫差電勢的代數(shù)和，可用下式表示： (2.8)在總電動勢中，接觸電勢較溫差電勢大得多，因此，它的極性也就取決于接觸電勢的極性。當>時，與總熱電動勢的方向一致，而與總電動勢方向相反。所以總熱電動勢可表示成如下形式： (2.9)由此可見，熱電偶回路的總熱電動勢等于各接點分電動勢的代數(shù)和。 (2.10)對于已選定的熱電偶，當參考端溫度恒定時，為常數(shù)C，則總電動勢就變成測量端溫度的單值函數(shù)，即： (2.11)當恒定不變時，熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢只隨測量端溫度的變化而變化，即一定的熱電動勢對應著一定的溫度。在熱電偶分度表中，參考端溫度均為0。所以，測量熱電動勢的辦法能夠測溫，這就是熱電偶測溫的基本原

33、理1。2.4 數(shù)據(jù)采集部分的設計溫度作為被測物理量，必須經(jīng)過測溫元件檢測。由于采用的不是現(xiàn)成的測溫儀表，因此首先應將溫度轉變成單片機可以處理的信號。在此選擇熱電偶來完成溫度向電壓信號的轉換。為了制成實用的熱電偶，其熱電極材料必須具備如下條件：(1) 良好的熱電特性。熱電動勢及熱電動式率（靈敏度）要足夠大，并且，熱電動勢與溫度的關系最好成線性。熱電特性穩(wěn)定，即使在高溫或低溫下使用，熱電動勢仍很穩(wěn)定；而且，沿熱電極長度方向其熱電動勢的均勻度高，同類熱電偶互換性好，易于復現(xiàn)，便于制成統(tǒng)一的分度。(2) 良好的物理性能。如高的電導率，小的比熱容與電阻溫度系數(shù)，無相變，不發(fā)生再結晶等。(3) 穩(wěn)定的化學

34、性能?？寡趸⑦€原性氣氛或其他強腐蝕性介質，使用壽命長。(4) 良好的耐熱性。用于高溫的測試材料，具有良好的耐熱性及高溫機械強度。(5) 耐低溫性能好。用于低溫的測試材料，具有足夠大的熱的電動勢與熱電動勢率，不易脆斷，在磁場中工作時磁滯熱電動勢小。(6) 耐核輻照性能強。用于核場中的測試材料，中子俘獲截面要盡可能小，以減少與中子發(fā)生核反應的幾率。(7) 具有良好的力學性能與加工性能。自1821年賽貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應以來，已有300多種熱電極材料構成不同的熱電偶，其中廣泛使用的有4050種熱電偶。2.4.1 熱電偶的種類熱電偶的分類方法有很多，一般是按熱電偶的材料、用途和結構形式進行分類。(1)

35、根據(jù)熱電偶材料分類：廉金屬熱電偶：銅康銅熱電偶、鐵康銅熱電偶、鎳鉻鎳鋁熱電偶、鎳鉻鎳銅熱電偶；貴金屬熱電偶：鉑銠系列熱電偶、銥銠系列熱電偶、鉑銥系列熱電偶、銥釕系列熱電偶；難溶金屬熱電偶：鎢錸系列熱電偶、鎢鉬系列熱電偶、鈮鈦系列熱電偶、鈮鎢系列熱電偶；非金屬熱電偶：石墨炭化鈮熱電偶、二硅化鎢二硅化鉬熱電偶、硼化鈮炭化錯熱電偶、銥釕系列熱電偶。(2) 根據(jù)熱電偶的用途分類：專用熱電偶：多點式熱電偶、表面熱電偶、薄膜熱電偶、快速微型熱電偶、防暴熱電偶；普通工業(yè)用熱電偶：直形熱電偶、角形熱電偶、錐形熱電偶。(3) 根據(jù)熱電偶的結構形式分類：專用熱電偶：普通型熱電偶、鎧裝熱電偶、密封式熱電偶、高壓固定

36、螺紋式熱電偶等3。2.4.2 熱電偶的選擇熱電偶根據(jù)使用的條件不同分為標準化和非標準化兩種，在不同的測溫條件下要采用不同的熱電偶。常見的熱電偶大多數(shù)是標準化的熱電偶，其應用廣泛，性能優(yōu)良、穩(wěn)定，加工工藝較成熟，產(chǎn)量很大。國際上對于標準化熱電偶材料按分度號一般分為B、R、S、N、K、E、J、T等標準形式。此外，還有非標準化熱電偶，它的使用范圍和數(shù)量都較小，非標準化熱電偶主要應用于標準化熱電偶無法使用的高溫、低溫、超低溫、真空、特殊介質等場合3。在實際的測溫時，被測對象是很復雜的。應在熟悉被測對象，掌握各種熱電偶特性的基礎上，應根據(jù)使用氣氛、溫度的高低，正確地選擇熱電偶。使用溫度t。當t<1

37、000時，多選用廉金屬熱電偶，如K型熱電偶。它的特點是，使用溫度寬，高溫下性能較穩(wěn)定。當t=-200300時，最好選用T型熱電偶，它是廉金屬中準確度最高的熱電偶。也可選擇E型熱電偶，它是廉金屬熱電偶中熱電動勢率最大、靈敏度最高的熱電偶。當t=10001400時，多選用R、S型熱電偶。當t<1300時，可選用N或者K型熱電偶。當t=14001800時，多選用B型熱電偶。t<1600時，短期可用S或R型熱電偶。當t<1800時，常選用鎢錸熱電偶。使用氣氛。強氧化性氣氛：當t<1000時，多選用廉價金屬熱電偶，如N或K型，它是廉金屬熱電偶中抗氧化性能最強的熱電偶。當t>

38、1300時，選用鉑銠系熱電偶。真空、還原性氣氛：當t<950時，可選用J型熱電偶，它即可以在氧化性氣氛下工作，又可以在還原氣氛中使用。t>1600時，選用鎢錸熱電偶。減少或消除參考端溫度地影響。當t<1000時，可選用鎳鈷-鎳鋁熱電偶。參考端溫度在0300范圍內(nèi)時，可忽略其影響，常用于飛機尾噴口排氣溫度的測量。當t>1000時，常選用B型熱電偶。一般可以忽略參考端溫度的影響。其它。在一些特殊場合下，應依據(jù)測量對象的要求選擇。例如，核反應堆測溫，應選低中子俘獲截面的雙鉑鉬熱電偶等1。本溫度測量系統(tǒng)本著實用性出發(fā)，采用K型熱電偶。K型熱電偶主要以鎳鉻鎳硅熱電偶為代表。鎳鉻鎳

39、硅熱電偶是一種廉金屬熱電偶，金屬絲直徑范圍大，工業(yè)應用一般為0.53mm。實驗研究使用時，根據(jù)需要可以拉延至更細的直徑。這種熱電偶的特點是價格低廉，靈敏度高，復現(xiàn)性好，熱電動勢線性好，1000下抗氧化性能良好，在廉金屬熱電偶中穩(wěn)定性更好。同貴金屬熱電偶相比時效變化大，是工業(yè)中和實驗室里大量采用的一種熱電偶。但不適用于還原性氣氛，當氧分壓較低時，鎳鉻極中的鉻將擇優(yōu)氧化，使熱電動勢發(fā)生變化。因此，多采用金屬或金屬陶瓷保護管3。2.4.3 補償導線的選擇在一定溫度范圍內(nèi)（包括常溫），具有與所匹配的熱電偶熱電動勢標稱值相同的一對帶有絕緣層的導線稱為補償導線。其作用是將熱電偶的參考端延長到遠離熱源或環(huán)境

40、溫度較恒定的地方，以補償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差。(1) 補償導線的作用：(a) 改善熱電偶測溫線路的力學與物理性能。采用多股或小直徑補償導線可提高線路的撓性，接線方便，也可以遮蔽外界干擾。(b) 降低測量線路的成本。當熱電偶與儀表的距離很遠時，可用補償導線代替貴金屬熱電偶。(c) 補償導線質量的優(yōu)劣，將直接影響溫度測量的準確度。當前國內(nèi)對補償導線及線芯材料的研究較少，與相應熱電偶匹配精度低，允差大；耐熱等級偏低，僅200。國外補償導線不僅品種齊全，而且使用溫度可以超過800。(2) 補償導線的原理：由熱電偶測溫原理可知，圖2.6(a)所示的回路的總電動勢為： (2.12)式中

41、為使用補償導線后的溫度。而圖2.6(b)所示回路的總熱電動勢為： (2.13)圖2.6 補償導線原理圖如果與能起到補償熱電動勢的作用，即： (2.14)即： (2.15)因此，能滿足式2.15要求的導線，就能起到補償導線的作用。(3) 補償導線的使用原則：各補償導線只能與相應型號的熱電偶匹配使用。補償導線與熱電偶的溫度不得超過規(guī)定的使用溫度范圍，通常接點溫度在100以下，耐熱用補償導線可達200（對延伸型補償導線不應嚴格限制）。由于補償導線與電極材料并不完全相同（延伸型除外），所以，連接點處兩接點溫度必須相同，否則會引入誤差。使用補償導線時，切勿將極性接反4。2.4.4 絕緣物與保護管的選擇在

42、用熱電偶測溫時，除測量端以外的各個部分之間均要求有良好的絕緣，否則熱電偶會因熱電極短路而引入誤差，甚至無法測量。絕緣物的作用是使兩根熱電極絲相互電絕緣，并保持一定的機械強度。熱電偶的絕緣材料很多，大體分為有機和無機絕緣材料兩類。處于高溫端的絕緣物必須采用無機物。通常在1000以下選用粘土質絕緣瓷管；在1300以下采用高鋁質絕緣瓷管；在1600以下選用剛玉質絕緣瓷管。絕緣管的規(guī)格有單孔、雙孔和四孔等，在此我們選用單孔，用于單支熱電偶。為了使熱電極不直接與被測介質接觸，通常采用保護管。它不僅可以延長熱電偶的使用壽命，還可以起到支撐和固定熱電極、增加其強度的作用。因此熱電偶保護管選擇是否合適，將直接

43、影響熱電偶的使用壽命和測量的準確度。作為熱電偶保護管材料，主要有金屬、非金屬和金屬陶瓷三類見表2.1。表2.1 保護管的材料分類及使用條件材質使用條件金屬及合金銅及銅合金用于300以下無浸蝕性介質無縫鋼管使用在600以下不銹鋼長期使用溫度為850高溫不銹鋼管可以用于1100鐵基、鎳基、鈷基高溫合金用于1300以下鉑及鉑銠合金用于1100或更高溫度鉬、鎢等難熔金屬非氧化性氣氛下的高溫領域非金屬保護管氧化物保護管石英管多用于1000以下氮化物陶瓷保護管對金屬有很強的抗腐蝕能力，用于12001300硼化物保護管宜在1650以下使用，抗氧化但抗腐蝕性較差碳化物保護管只用于雙層管的外保護管石墨保護管可以

44、用于鋼液、鐵水測溫二硅化鉬保護管使用于氧化、還原氣氛中，可用于1600金屬陶瓷保護管金屬陶瓷常用溫度1600，適用于液態(tài)金屬，不能用于氧化性氣體金屬陶瓷LT-1常用溫度1300，適用于非金屬熔體復合保護管雙金屬復合金屬熔體測溫，耐金屬腐蝕性好，溫度根據(jù)具體使用材料定復合陶瓷管金屬熔體測溫，耐金屬腐蝕性好，溫度根據(jù)具體使用材料定涂層用于高溫熔體測溫在本設計中，為了適應惡劣的工作環(huán)境，因此要求它耐高溫、抗熔融、耐沖刷、抗震性好、測溫靈敏度高。我們采用金屬陶瓷保護管，采用MC93G型的金屬陶瓷材料，壁厚3.5mm。如下是采用金屬陶瓷熱電偶保護管和鋁碳質防護管、熱電偶共同組合成分體組合式測溫探頭。其結

45、構示意圖如圖2.7所示1。1鋁碳質防護管 2測溫熱電偶 3金屬陶瓷保護管圖2.7 測溫探頭結構示意圖2.5 熱電偶的冷端補償由熱電偶測溫原理可知熱電偶的輸出電壓： (2.16)即，熱電偶因溫度變化產(chǎn)生的熱電動勢是測量端溫度與參考端溫度的函數(shù)差。那么，熱電動勢就變成測量端溫度的單值函數(shù)。我們經(jīng)常使用的分度表及顯示儀表，都是以熱電偶參考端溫度為0為先決條件的。如果參考端溫度是變化的，引入的測量誤差也是變量。由此可見，參考端溫度的變化直接影響測量的準確度。但在實際測溫時，因熱電偶的長度受到被測介質與環(huán)境溫度的影響，不僅其參考端溫度難以保持0，而且往往是波動的，無法進行參考端溫度的修正。因此，要把變化

46、很大的參考端溫度所帶來的誤差，通過采取一定措施予以補償1。常用的補償方法有冰浴法、恒溫箱法、銅電阻補償法、集成溫度傳感器法等。冰浴法是將熱電偶通過補償導線把參考端置于冰水混合物中，使其處于0狀態(tài)。這樣，熱電偶輸出的熱電勢與分度表一致，達到了參考端溫度補償?shù)哪康?。冰浴法簡單易行、補償精度高，適宜于在實驗室、計量室或儀表生產(chǎn)廠校驗熱電偶時應用5。恒溫箱法將熱電偶的參考端置于恒溫箱(或恒溫室)中，參考端溫度保持恒定溫度，另由一個電子補償線路疊加一個恒定電勢。這樣得到的便是參考端補償后的熱電偶對應的熱電勢。這種方法較多的應用于工業(yè)現(xiàn)場測試。也有通過補償導線將參考端埋于地下l米深處，使參考端的溫度保持恒

47、定，隨后通過導線將參考端連接到顯示儀表上，并調(diào)整顯示儀表的零點，達到參考端溫度補償?shù)哪康?。這種方法精度雖不太高，但應用較為方便，因此被工廠普遍采用6。銅電阻補償法也是一種常用的參考端補償器法。補償器為一不平衡電橋，其內(nèi)部結構如圖2.7所示。它的輸出端與熱電偶串接，電橋的三個橋臂其中R1、R2、R3為溫度系數(shù)很小的精密電阻。另一個橋臂則是一個用銅線繞制的電阻溫度系數(shù)很大的參考端補償電阻RCu，當因參考端變化而引起電橋輸出電壓的變化量與熱電偶的變化量相等時，即達到了熱電偶參考端溫度的完全補償7。因此，在使用此種補償器時，必須把顯示儀表的起始點調(diào)到合適的溫度才是完全補償而在其他溫度點只是近似補償。圖

48、2.7 銅電阻補償器RCu參考端溫度補償電阻 R1、R2、R3錳銅電阻 G顯示儀表RS特性電阻 E直流電源 T熱電偶上面介紹的電路補償法在環(huán)境溫度變化較大時，便會產(chǎn)生較大的誤差，采用集成溫度傳感器法，這一問題就可以順利得到解決。在使用中，只需將熱電偶的冷端與集成溫度傳感器置于同一環(huán)境中，不論環(huán)境溫度如何變化，均可在電路的輸出端得到正比于熱電偶工作端溫度的電壓值。隨著集成電路和微電子技術的飛速發(fā)展，各種半導體集成溫度傳感器被大量開發(fā)，有電流輸出型（如AD590）和電壓輸出型（如LM134，LM135，LM235，LM335）等系列。它們不僅可用于溫度測量，而且也用于熱電偶的冷端溫度補償。并且大多

49、數(shù)集成傳感器的輸出電信號隨溫度變化具有良好的線性特性8。利用集成溫度傳感器AD590對熱電偶進行冷端溫度補償是一種既簡單經(jīng)濟又補償效果好的實用方法。AD590是絕對溫度電流傳感器，它直接將溫度轉換成輸出電流，且具有標準化的線性輸出。由于AD590輸出的是電流，在用長線傳輸信號時，不會因為電壓降或感應的噪聲電壓而產(chǎn)生誤差，抑制干擾的能力也很強，因此可用于較遠距離的溫度測量。AD590相當于一個高阻抗(10M)的電流源，對激勵電壓變化不敏感，同時功耗低，最大時僅13mW。以上這些特點使它極易與熱電偶配合，做高精度的溫度測量。綜合考慮各種補償電路的優(yōu)缺點，本設計采用集成溫度傳感器AD590對熱電偶進

50、行冷端溫度補償。該電路的設計見第三章熱電偶信號調(diào)理電路。第3章 溫度測量儀硬件設計3.1 電路設計整體思路在溫度測量控制系統(tǒng)中，實際溫度由熱電偶采集得到的是一個很小的電壓值。所以必須經(jīng)過信號調(diào)理放大電路將這個電壓值放大到A/D轉換器所能接收的大小。調(diào)理放大電路的輸出電壓經(jīng)過ADC0808轉換后將信號（數(shù)字信號）送入單片機AT89C52；對采樣數(shù)據(jù)進行標度變換處理后，由3位7段數(shù)碼管顯示。輸入的設定值則由4位的獨立式鍵盤電路進行調(diào)整，可分別對設定值的十位和個位進行加1減1操作，送入單片機AT89C52后，由另一個3位7段數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管段碼由74LS05進行驅動，而位碼由三極管2N2222A進

51、行驅動。為了使兩組數(shù)碼管實時顯示，對兩組數(shù)碼管顯示器進行動態(tài)掃描9,10。本系統(tǒng)的控制由單片機AT89C52的程序來實現(xiàn)。首先由溫度采樣值與設定值之差求出溫度誤差，然后由定時子程序處理，發(fā)出控制信號，控制加熱絲及風扇工作。加熱絲及風扇的控制電路采用晶體管驅動的直流電磁繼電器，通過輸出可以改變占空比的PWM波信號，就可以改變固態(tài)繼電器的通斷時間，從而達到調(diào)節(jié)溫度的目的。若系統(tǒng)溫度偏高，則控制風扇電路工作。從而實現(xiàn)自動控制溫度的目的。整體電路框圖如圖3.1所示。圖3.1 整體電路框圖3.2 單片機介紹溫控儀控制核心采用AT89C52單片機，它是一個低電壓，高性能的CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k

52、bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，可以暫存故障及超溫上限溫度值11。3.3 熱電偶信號調(diào)理電路由于熱電偶的響應僅為mV級，必須經(jīng)過信號放大以適合A/D轉換器的輸入范圍。當放大器的輸出與A/D轉換器的輸入范圍相匹

53、配，這時系統(tǒng)的精度最高，否則，如果放大器的輸出范圍大于A/D轉換器的輸入，就會使系統(tǒng)的測量范圍減小，如果放大器的輸出范圍小于A/D轉換器的輸入，則會使系統(tǒng)測量精度降低，一般A/D轉換所需要的電壓值為05V。另一方面為了減小外界因素對測試系統(tǒng)的干擾，提高測溫度，測試系統(tǒng)中加入了冷端補償電路及調(diào)理器。信號調(diào)理電路由直流穩(wěn)壓電源、熱電偶冷端溫度補償器、低通濾波和陷波以及三級放大四個模塊組成811。3.3.1 直流穩(wěn)壓電源由于電路中采用直流電壓供電，所以應該設計一個直流穩(wěn)壓電源。如圖3.2所示。圖3.2 12V電源電路原理圖穩(wěn)壓電源由交流電網(wǎng)供電，再經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓三個主要環(huán)節(jié)組成。變壓器將電網(wǎng)電

54、壓轉換成整流電路輸入端所要求的交流電壓值。橋式二極管整流電路將輸入的交流電壓變換成所需的單項脈動電壓，然后由濾波電路濾除脈動電壓中的交流部分，輸出脈動很小的直流電壓。其中7812和7912是為了在電網(wǎng)電壓波動或者負載變動時仍能夠提供穩(wěn)定的直流電壓輸出9。3.3.2 熱電偶冷端溫度補償電路利用熱電偶測溫，測得是被測溫度與冷端溫度的差值信號，當冷端溫度變化時，熱電偶的輸出就會產(chǎn)生顯著誤差。目前解決這個問題的方法有：0恒溫法、熱電勢修正法、溫度修正法、熱電偶補償導線法、集成溫度傳感器法、橋路法。本電路采用集成溫度傳感器AD59012,13對熱電偶進行冷端溫度補償，該方法具有精度高、成本低、體積小、調(diào)

55、試簡單、使用靈活、冷端溫度補償范圍大(-55150)等優(yōu)點。在使用中，只需將熱電偶的冷端與集成溫度傳感器AD590置于同一環(huán)境中，不論環(huán)境溫度如何變化，均可在電路的輸出端得到正比于熱電偶工作端溫度的電壓值。冷端補償電路原理圖如圖3.3所示8。圖3.3 冷端補償電路原理圖由熱電偶的基本原理可知：。為熱電偶的測量端溫度為T，參考端溫度為0時的熱電勢；為熱電偶的測量端溫度為T參考端溫度為T0時的熱電勢，也就是熱電偶兩端實際的熱電勢值；為熱電偶的參考端溫度為T0時所應加的校正值（或冷端處理值）。冷端補償電路的設計原理就是在熱電偶的冷端串入一個受溫度控制的電壓源使。本電路采用AD590作為測溫元件。AD590是一種集成型溫度電流傳感器。其電源電壓為330V，測溫范圍為-55150，輸出電流與溫度成正比關系，即： (3.1)其中，=1A/K為AD590的溫度系數(shù)，為被測環(huán)境攝氏溫度，為被測環(huán)境絕對溫度。其中，用AD590來感受冷端環(huán)境溫度，并按比例關系輸出信號，即：A。通過R1所形成的電壓V1，即為與絕對溫度相對應的冷端補償電壓。為了使其轉化為以攝氏溫度相對應的補償電壓電路引入偏置電壓回路，通過調(diào)整R3使=273A。電路中，選取R1=R2（R1在數(shù)值上等于熱電偶的Seebeck系數(shù)），這樣與對應于攝氏溫度的冷端補償電壓為，實現(xiàn)了熱電偶冷端的補償。由于不同分度號的熱電偶Seebec