【文章內容簡介】 進入了百家爭鳴的時代，所研制的檢定設備也層出不窮，花樣 不斷翻新。就調研和查閱資料所得的信息來看，熱電偶自動檢定系統(tǒng)的研究將主要向兩個方向發(fā)展 : ⑴ 微處理器型 這種類型的檢定設備是以各種各樣的微處理器為智能核心（如 80C51 單片機） ,自組專用 CPU 系統(tǒng)，將檢測、控制和數據處理等各項功能設計在一塊線路板上或一個機箱內。 其特點是體積小，成本低，自動化儀表程度高。其缺點是開發(fā)階段投資多，工作量大，線路復雜，專業(yè)性強，技術難度高，而且在顯示及打印輸出方面功能有限，故不易推廣使用。 ⑵ 通用微型計算機型 這種類型 的熱電偶檢定設備是直接利用目前迅速發(fā)展的微機控制技術進行開發(fā)。它通過專門設計的一個通信檢測接口，利用計算機強大的智能控制和數據處理功能，結合可視化操作界面和高級程序設計語言，配合鍵盤、鼠標和打印機輸入輸出功能，實現對熱電偶的自動檢定。 這種類型的檢定系統(tǒng)的特點是開發(fā)環(huán)境優(yōu)越，技術難度和工作量小，檢定精度高，人機交互界面友好，功能齊全完善，故易于推廣使用。其缺點是成本高，體積大，檢定系統(tǒng)會占用一定的微機資源。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 3 熱電偶自動檢定系統(tǒng)簡介 熱電偶檢定及檢定方法 所謂“檢定”，是指為評定熱電偶的熱電特性是否合格而進行 的全部工作。其中包括外觀檢查和在規(guī)定的溫度點檢查其熱電動勢的量值大小和穩(wěn)定程度是否符合標準規(guī)范。熱電偶的檢定步驟和檢定周期按國家計量部門制訂的“檢定規(guī)程”進行。熱電偶的檢定工作由分度前準備、分度和數據處理三部分組成 (對于工業(yè)用熱電偶的分度，人們也常稱為檢定和校驗 )。 對熱電偶進行檢定，可采用以下三種方法。 ① 雙極比較法： 將同分度號同種規(guī)格的正 、負極偶絲焊接成熱電偶，直接測量標準器與被檢熱電 [2]偶的熱電勢。 測量過程：將捆綁后的熱電偶束插入爐膛內，并把熱電偶的冷端引入零度恒溫器內。先使爐溫恒定在檢定點溫度附近，然后開始依次讀取標準偶與被測熱電偶的熱電勢。每只熱電偶數據讀取 2~3 次。 ②同名極比較法： 將同型號的標準熱電偶與被檢熱電偶工作端捆在一起，在固定點上進行電極熱電勢的比較。測量過程與上述方法相同。 ③微差法： 將同型號的標準與被檢熱電偶反向串聯，直接測量其熱電勢差值。 熱電偶自動檢定系統(tǒng)的結構 經調查考證：目前所研制出的熱電偶自動檢定設 備主要分為 2 大類： ① 微處理器型。 這種類型的檢定設備，以各種各樣的單片機等微處理器為智能核心，組織外圍電路，內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 4 將檢測、控制和數據處理等各項功能集成在了一塊線路板上。 這種類型的設備其系統(tǒng)原理構成如圖 所示 管 式 電 阻 爐冰瓶放 大 電 路放 大 電 路A / D 轉 換T L C 0 8 3 2單 片 機L E D 顯 示 器可 控 硅 調 壓器放 大 電 路D / A 轉 換 單 片 機 A / D 轉 換 圖 熱電偶自動檢定系統(tǒng)原理圖 微處理器型熱電偶自動檢定系統(tǒng)主要包括： 80C51 單片機、冰點瓶、放大電路、 A/D轉換芯片 TLC083 LED 數碼管等設備。它的優(yōu)點是體積小，成本低，自動化儀表程度高。但因 其開發(fā)階段投資多，工作量大，線路復雜，專業(yè)性強，技術難度高，而且在顯示及打印輸出方面功能有限，故不易推廣使用。 ② 通用微型計算機型。 這種類型的熱電偶檢定設備，是直接利用目前迅速發(fā)展的微機控制技術進行開發(fā)的。通過專門設計的一個通信檢測接口，將熱電勢多路數據采集裝置與計算機相連，利用計算機強大的數據處理和控制功能，結合可視化操作界面，配合鍵盤、鼠標和打印機輸入輸出功能，實現對熱電偶的自動檢定。 這種類型的設備其系統(tǒng)構成如圖 所示 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 5 管 式 電 阻 爐冰瓶放 大 電 路放 大 電 路A / D 轉 換T L C 0 8 3 2計 算 機打 印 機可 控 硅 調 壓器放 大 電 路D / A 轉 換 單 片 機 A / D 轉 換 圖 熱電 偶自動檢定系統(tǒng)原理圖 微型計算機型熱電偶自動檢定系統(tǒng)是以計算機為核心 ,包括了冰點瓶 ,防大電路 ,TLC0832，打印機以及檢定爐控溫系統(tǒng)等。它 的優(yōu)點是開發(fā)環(huán)境優(yōu)越，采用高級語言進行編程，技術難度和工作量小，檢定精度高，人機交互界面友好，功能齊全完善，故易于推廣使用。 本次設計中，考慮到微型計算機型熱電偶自動檢定系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，原設計思路是采用微型計算機型的設計方案，但介于條件的限制，缺少檢測通信接口，而改選微處理器型的設計方案。 熱電偶自動檢定系統(tǒng)的工作原理 ㈠ 檢定方法 本 設計的檢定系統(tǒng)采用同名級比較法對熱電偶進行檢定，將標偶與被測熱電偶的 [2]工作端捆綁后放入管式電阻爐中，通過高穩(wěn)定控溫系統(tǒng)的控制，使電阻爐溫度穩(wěn)定在符合要求的檢溫點附近，然后分別對標準熱電偶與被測熱電偶進行采樣，并將采集到的數內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 6 據送入單片機中進行處理、存儲。 ㈡ 控溫過程 在對熱電偶進行檢定時，根據國家計量部門制訂的“檢定規(guī)程”規(guī)定，要求檢定爐爐溫達到所需的檢定溫度點士 10C? 范圍內，且爐溫變化每分鐘不超過 0. 2C? 時，方可進行數聚采集。所以要對檢定爐爐溫進行控制。 首先根據檢定需要設置好各個檢溫點 , 并由單片機通過串口 1（串行通信端口）將其送給控溫系統(tǒng)中的單片機 , 控溫系統(tǒng)根據測溫熱電偶的測量值與設定值（即檢溫點）的偏差大小進行一系列的 PI,PID 運算，輸出結果控制可控硅調壓器，調節(jié)電阻爐的輸入電壓，對電阻爐的溫度進行調節(jié)直至其穩(wěn)定在規(guī)定的檢溫點溫度允許誤差范圍內。 ㈢ 數據采集 系統(tǒng)設計如圖 所示，將標準熱電偶與被測熱電偶捆扎后放入檢定爐中，標準熱電偶和被測熱 電偶偶的引線與補償導線相連，接點置于冰瓶，保持熱電偶冷端溫度為0 C? 。測量得到的熱電勢信號經補償導線送入放大電路，放大至 0~5V 的標準電信號后，再由 TLC0832 的兩個輸入端送入到 TLC0832，然后在 A/D 轉換器中完成 A/D 轉換，然后將轉換完成的數字信號送入單片機進行處理。 ㈣ 數據處理 單片機通過控制 TLC0832的啟動 ,控制 數據采集 , 當檢定爐溫度穩(wěn)定在規(guī)程規(guī)定范圍內時（延時到檢定爐溫度穩(wěn)定需要的時間時），單片機給 TLC0832送啟 動信號， TLC0832取得啟動信號，采入相應的輸入端口的數據，進行 A/D轉換，完成采集數據，然后送入單片機中進行處理。單片機取得采集到的數據后，對數據進行變換處理，得出標偶與被測偶的電壓輸出 值并將其存儲在一定的存儲單元，當前檢溫點測量結束后，計算求出被測偶與標偶輸出電壓的最大偏差值，并與允許的極限偏差比較，判定出被測熱電偶是否合格，并計算出被測熱電偶的精確度。 如式（ ），（ ）所示。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 7 標測差 VVV ?? （ ） %100*V VV量程標測 ??? （ ） 然后用 LED 顯示器將這些數據顯示出來，就完成了對熱電偶的檢定。 本課題的研究內容 ㈠ 數據采集部分 數據的采集是由硬件電路實現的。通過信號放大電路將熱電偶的熱電勢放大到 0~5V的標準信號，再由 TLC0832 將模擬量轉換成單片機能識別的數字量后在單片機中進行處理。這部分工作主要是搭建硬件電路。 ㈡ 數據處理部分 數據處理主要是在單片機或微型計算機里對采集的數 據進行換算，轉換為測量的電壓值。這部分主要工作是編寫程序。 ㈢ 加熱爐控溫系統(tǒng) 由于熱電偶自動檢定系統(tǒng)要對設定的多個檢溫點分別進行測量檢定。而且要求加熱爐 爐溫必須達到規(guī)定的檢定溫度點士 10 C? 范圍內，且要求爐溫變化每分鐘不超過 0. 2 C? 。這些功能由加熱爐控溫系統(tǒng)實現。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 8 第二章 熱電偶測溫計及測量對象溫度簡介 溫度對象基本概念 溫度、溫標 溫度是國際單位制（ SI）中七個基本物理量之一，在物理學單位中占有重要的地 [3]位。由于許多物質的特征參數與溫度有密切關系，因而溫度計量在工業(yè)生產和科研活動中的地位舉足輕重。尤其是生產企業(yè)，要想在激烈的市場競爭中立足，產品的質量和成本是兩個決定性的因素，要做到高質量低成本，就必須在節(jié)能降耗上下功夫。因此，溫度傳感器、溫度變送器在企業(yè)生產中的各個環(huán)節(jié)得到了廣泛的應用，而這些溫度計量器具是否準確就成為使用者十分關注的問題。因而導致了熱電偶自動檢定系統(tǒng)的研究的興起??！ 溫標 是溫度的數值表示方法。各種溫度計也必須先進行分度和標定才能使用。由于溫度量值比較特殊，只能借助某種物理量的變化來間接地表示。溫標就是利用一些物質的相平衡溫度作為固定點刻在溫度的“標尺”上，而固定點間的溫度值利用一種稱為“內插函數”的函數關系來描述。而溫度計、固定點、內插函數就是溫標的三要素。 溫標分為：經驗溫標、熱力學溫標，國際溫標。 ① 經驗溫標是借助某一種物質的物理量與溫度變化的關系，用實驗的方法建立的經驗公式所確立的溫標。如 1714 年德國人法倫海脫制定的華氏溫標和 1740 年 瑞典人攝氏制定的攝氏溫標都是經驗溫標。經驗溫標的局限性和隨意性的缺點使得它不能適用于任何場合，因而它不是科學的。 ② 熱力學溫標是物理學家開爾文提出的一種與工質無關的，純理論的溫標。熱力學溫標確立的溫度數值稱熱力學溫度（單位 K）。但由于熱力學溫標的純理論性，故無法直接實現。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 9 ③ ITS90 國際溫標 1989 年國際計量委員會批準的國際溫度咨詢委員會制定的新型溫標。是以定義固定點溫度指定值以及這些固定點上分度過的標準儀器來實現熱力學溫標的。各固定點間的溫度 是依據內插公式使標準儀器示值與國際溫標的溫度值相聯系。 測溫方法及溫度測量計 由于自然界許多的物質，其物理特性如長度，容積，電導率，熱電勢和輻射功率等都與溫度有關，因而可以利用物質的這些物理特性制作出各種溫度傳感器，通過測量這些物質的某些物理參數的變化量間接的獲得溫度值。 ⑴ 利用物質熱膨脹與溫度的關系 ① 固體膨脹，如雙金屬溫度計； ② 液體膨脹，如玻璃水銀溫度計 ③ 氣體膨脹，如壓力表式溫度計。 ⑵ 利用金屬或半導體電阻與溫度的關系 銅、鉑等金屬導體或半導體，當溫度變化時其阻值也相應的發(fā)生變化，利用這一關系可制成各種電阻溫度計。 ⑶ 利用熱電效應 兩種不同的金屬導體在兩個端點上相互接觸，當其兩接點溫度不同時，回路內就會產生熱電勢。熱電偶溫度計就是利用這一原理制成的。 ⑷ 利用物質物體的輻射能與溫度的關系 物體的輻射能與溫度存在著一定的關系，利用這一物理性質制成了各種輻射溫度計，如光電溫度計等。 熱電偶溫度計及其測溫原 理 熱電偶溫度計是一種將溫度變化轉換成電勢變化的傳感器，主要由熱電偶、顯示儀表和連接導線所組成。它被廣泛用來測量 200~1300C? 范圍內的溫度。熱電偶具有性能內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 10 穩(wěn)定，結構簡單，使用方便，經濟耐用，體積小和容易維護等優(yōu)點 。通過熱電偶能將溫度信號轉換成電信號，便于信號的遠傳和實現多點切換測量。因此在工業(yè)生產和科學研究領域中都廣泛使用熱電偶來測量溫度。 熱電偶測溫的基本原理 熱電偶測溫 的基本原理是基于金屬導體的熱電效應。熱電效應產生的電勢是由兩 [4]種不同效應引起的，即拍爾帖 (Peltier)效應和湯姆遜 (Thomson)效應。熱電偶測溫的原理如圖 所示 ABT 0T0T 圖 熱電偶測溫原理圖 ㈠ 塞貝克效應 熱電偶是由兩種成分不同的導體 (或半導體 )連接在一起構成的感溫元件。在由兩種導體 A, B 組成的閉合回路見圖 中，如果兩端結點的溫度不同，在回路中就將產生一定大小的電流，這個電流的大小與導體材料的性質以 及結點溫度有關。一般常把上述現象稱為塞貝克 (Seebeek)熱電效應。熱電效應產生的電勢 )T,T(E 0AB 的方向和大小，取決于兩個接點的溫度和組成熱電偶的材料。當兩接點的溫度分別為 T, T。時，回路的熱電勢 如式（ ）所示 )()(),( 00 0 TeTedTSTTE ABABTT ABAB ??? ? () 式中， )T(eAB ， )T(e 0AB 為兩接點的分熱電勢 。T, T。為兩接點所處的溫度 。A, B 為兩種熱電極 材料。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 11 ㈡ 拍爾帖效應 各種導體中都存在著大量的自由電子，不同導體自由電子的密度也不同，當兩種金屬連接在一起時，在結點處就要發(fā)生電子擴散，電子密度大的金屬的自由電子就要向電子密度小的導體擴散。