【文章內(nèi)容簡介】 進入了百家爭鳴的時代，所研制的檢定設(shè)備也層出不窮，花樣 不斷翻新。就調(diào)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(shè)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(shù)據(jù)處理等各項功能設(shè)計在一塊線路板上或一個機箱內(nèi)。 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(fù)雜，專業(yè)性強，技術(shù)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(shè)備是直接利用目前迅速發(fā)展的微機控制技術(shù)進行開發(fā)。它通過專門設(shè)計的一個通信檢測接口，利用計算機強大的智能控制和數(shù)據(jù)處理功能，結(jié)合可視化操作界面和高級程序設(shè)計語言，配合鍵盤、鼠標(biāo)和打印機輸入輸出功能，實現(xiàn)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(shù)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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)備、分度和數(shù)據(jù)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(fù)極偶絲焊接成熱電偶，直接測量標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)，并把熱電偶的冷端引入零度恒溫器內(nèi)。先使?fàn)t溫恒定在檢定點溫度附近，然后開始依次讀取標(biāo)準(zhǔn)偶與被測熱電偶的熱電勢。每只熱電偶數(shù)據(jù)讀取 2~3 次。 ②同名極比較法： 將同型號的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)與被檢熱電偶反向串聯(lián)，直接測量其熱電勢差值。 熱電偶自動檢定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 經(jīng)調(diào)查考證：目前所研制出的熱電偶自動檢定設(shè) 備主要分為 2 大類： ① 微處理器型。 這種類型的檢定設(shè)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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 4 將檢測、控制和數(shù)據(jù)處理等各項功能集成在了一塊線路板上。 這種類型的設(shè)備其系統(tǒng)原理構(gòu)成如圖 所示 管 式 電 阻 爐冰瓶放 大 電 路放 大 電 路A / D 轉(zhuǎn) 換T L C 0 8 3 2單 片 機L E D 顯 示 器可 控 硅 調(diào) 壓器放 大 電 路D / A 轉(zhuǎn) 換 單 片 機 A / D 轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)換芯片 TLC083 LED 數(shù)碼管等設(shè)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(fù)雜，專業(yè)性強，技術(shù)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(shè)備，是直接利用目前迅速發(fā)展的微機控制技術(shù)進行開發(fā)的。通過專門設(shè)計的一個通信檢測接口，將熱電勢多路數(shù)據(jù)采集裝置與計算機相連，利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理和控制功能，結(jié)合可視化操作界面，配合鍵盤、鼠標(biāo)和打印機輸入輸出功能，實現(xiàn)對熱電偶的自動檢定。 這種類型的設(shè)備其系統(tǒng)構(gòu)成如圖 所示 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(zhuǎn) 換T L C 0 8 3 2計 算 機打 印 機可 控 硅 調(diào) 壓器放 大 電 路D / A 轉(zhuǎn) 換 單 片 機 A / D 轉(zhuǎn) 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(shù)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(shè)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(shè)計思路是采用微型計算機型的設(shè)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(shè)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(shè)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被測熱電偶進行采樣，并將采集到的數(shù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 6 據(jù)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(jù)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(nèi)，且爐溫變化每分鐘不超過 0. 2C? 時，方可進行數(shù)聚采集。所以要對檢定爐爐溫進行控制。 首先根據(jù)檢定需要設(shè)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(jù)測溫?zé)犭娕嫉臏y量值與設(shè)定值（即檢溫點）的偏差大小進行一系列的 PI,PID 運算，輸出結(jié)果控制可控硅調(diào)壓器，調(diào)節(jié)電阻爐的輸入電壓，對電阻爐的溫度進行調(diào)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(nèi)。 ㈢ 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)設(shè)計如圖 所示，將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被測熱電偶捆扎后放入檢定爐中，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被測熱 電偶偶的引線與補償導(dǎo)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(jīng)補償導(dǎo)線送入放大電路，放大至 0~5V 的標(biāo)準(zhǔn)電信號后，再由 TLC0832 的兩個輸入端送入到 TLC0832，然后在 A/D 轉(zhuǎn)換器中完成 A/D 轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號送入單片機進行處理。 ㈣ 數(shù)據(jù)處理 單片機通過控制 TLC0832的啟動 ,控制 數(shù)據(jù)采集 , 當(dāng)檢定爐溫度穩(wěn)定在規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)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(yīng)的輸入端口的數(shù)據(jù)，進行 A/D轉(zhuǎn)換，完成采集數(shù)據(jù)，然后送入單片機中進行處理。單片機取得采集到的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行變換處理，得出標(biāo)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(dāng)前檢溫點測量結(jié)束后，計算求出被測偶與標(biāo)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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 7 標(biāo)測差 VVV ?? （ ） %100*V VV量程標(biāo)測 ??? （ ） 然后用 LED 顯示器將這些數(shù)據(jù)顯示出來，就完成了對熱電偶的檢定。 本課題的研究內(nèi)容 ㈠ 數(shù)據(jù)采集部分 數(shù)據(jù)的采集是由硬件電路實現(xiàn)的。通過信號放大電路將熱電偶的熱電勢放大到 0~5V的標(biāo)準(zhǔn)信號，再由 TLC0832 將模擬量轉(zhuǎn)換成單片機能識別的數(shù)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(shù)據(jù)處理部分 數(shù)據(jù)處理主要是在單片機或微型計算機里對采集的數(shù) 據(jù)進行換算，轉(zhuǎn)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(shè)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(nèi)，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(xiàn)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(biāo) 溫度是國際單位制（ SI）中七個基本物理量之一，在物理學(xué)單位中占有重要的地 [3]位。由于許多物質(zhì)的特征參數(shù)與溫度有密切關(guān)系，因而溫度計量在工業(yè)生產(chǎn)和科研活動中的地位舉足輕重。尤其是生產(chǎn)企業(yè)，要想在激烈的市場競爭中立足，產(chǎn)品的質(zhì)量和成本是兩個決定性的因素，要做到高質(zhì)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(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)得到了廣泛的應(yīng)用，而這些溫度計量器具是否準(zhǔn)確就成為使用者十分關(guān)注的問題。因而導(dǎo)致了熱電偶自動檢定系統(tǒng)的研究的興起?。? 溫標(biāo) 是溫度的數(shù)值表示方法。各種溫度計也必須先進行分度和標(biāo)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(biāo)就是利用一些物質(zhì)的相平衡溫度作為固定點刻在溫度的“標(biāo)尺”上，而固定點間的溫度值利用一種稱為“內(nèi)插函數(shù)”的函數(shù)關(guān)系來描述。而溫度計、固定點、內(nèi)插函數(shù)就是溫標(biāo)的三要素。 溫標(biāo)分為：經(jīng)驗溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)，國際溫標(biāo)。 ① 經(jīng)驗溫標(biāo)是借助某一種物質(zhì)的物理量與溫度變化的關(guān)系，用實驗的方法建立的經(jīng)驗公式所確立的溫標(biāo)。如 1714 年德國人法倫海脫制定的華氏溫標(biāo)和 1740 年 瑞典人攝氏制定的攝氏溫標(biāo)都是經(jīng)驗溫標(biāo)。經(jīng)驗溫標(biāo)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(xué)的。 ② 熱力學(xué)溫標(biāo)是物理學(xué)家開爾文提出的一種與工質(zhì)無關(guān)的，純理論的溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)確立的溫度數(shù)值稱熱力學(xué)溫度（單位 K）。但由于熱力學(xué)溫標(biāo)的純理論性，故無法直接實現(xiàn)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 9 ③ ITS90 國際溫標(biāo) 1989 年國際計量委員會批準(zhǔn)的國際溫度咨詢委員會制定的新型溫標(biāo)。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(biāo)準(zhǔn)儀器來實現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的。各固定點間的溫度 是依據(jù)內(nèi)插公式使標(biāo)準(zhǔn)儀器示值與國際溫標(biāo)的溫度值相聯(lián)系。 測溫方法及溫度測量計 由于自然界許多的物質(zhì)，其物理特性如長度，容積，電導(dǎo)率，熱電勢和輻射功率等都與溫度有關(guān)，因而可以利用物質(zhì)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(zhì)的某些物理參數(shù)的變化量間接的獲得溫度值。 ⑴ 利用物質(zhì)熱膨脹與溫度的關(guān)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(dǎo)體電阻與溫度的關(guān)系 銅、鉑等金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體，當(dāng)溫度變化時其阻值也相應(yīng)的發(fā)生變化，利用這一關(guān)系可制成各種電阻溫度計。 ⑶ 利用熱電效應(yīng) 兩種不同的金屬導(dǎo)體在兩個端點上相互接觸，當(dāng)其兩接點溫度不同時，回路內(nèi)就會產(chǎn)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(zhì)物體的輻射能與溫度的關(guān)系 物體的輻射能與溫度存在著一定的關(guān)系，利用這一物理性質(zhì)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(zhuǎn)換成電勢變化的傳感器，主要由熱電偶、顯示儀表和連接導(dǎo)線所組成。它被廣泛用來測量 200~1300C? 范圍內(nèi)的溫度。熱電偶具有性能內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 10 穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，經(jīng)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(zhuǎn)換成電信號，便于信號的遠傳和實現(xiàn)多點切換測量。因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)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(dǎo)體的熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電勢是由兩 [4]種不同效應(yīng)引起的，即拍爾帖 (Peltier)效應(yīng)和湯姆遜 (Thomson)效應(yīng)。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(yīng) 熱電偶是由兩種成分不同的導(dǎo)體 (或半導(dǎo)體 )連接在一起構(gòu)成的感溫元件。在由兩種導(dǎo)體 A, B 組成的閉合回路見圖 中，如果兩端結(jié)點的溫度不同，在回路中就將產(chǎn)生一定大小的電流，這個電流的大小與導(dǎo)體材料的性質(zhì)以 及結(jié)點溫度有關(guān)。一般常把上述現(xiàn)象稱為塞貝克 (Seebeek)熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)產(chǎn)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(dāng)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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 11 ㈡ 拍爾帖效應(yīng) 各種導(dǎo)體中都存在著大量的自由電子，不同導(dǎo)體自由電子的密度也不同，當(dāng)兩種金屬連接在一起時，在結(jié)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(dǎo)體擴散。