【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 出一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)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(chǎng)合被廣泛地使用著。這種 儀器儀表顯示部分地基本結(jié)構(gòu)是利用電磁力相互作用原理，通過指針相對(duì)于標(biāo)尺的位移來顯示最終測(cè)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(cè)量精度與響應(yīng)速度。這類儀器儀表的基本原理在于將 代 測(cè)的信號(hào)轉(zhuǎn)化 為 數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。今天數(shù)字化儀表的增長(zhǎng)速度己遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)化儀表 ”， 另一類，儀器本身與微型機(jī)在硬件結(jié)構(gòu)上是分開的，但儀器由微型機(jī)控制進(jìn)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(jìn)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(qiáng)大生命力，現(xiàn)已成為 上個(gè)世紀(jì) 80 年代 以 來儀器儀表發(fā)展的一個(gè)主要方向。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 正在研究的溫度檢測(cè)技術(shù) 近年來，在溫度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，多種新的檢測(cè)原理與技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，已取得了重大進(jìn)展。新一代溫度檢測(cè)元件正在不斷出現(xiàn)和完善化。 (1) 晶體管溫度檢測(cè)元件 半導(dǎo)體溫度檢測(cè)元件是具有代表性的溫度檢測(cè)元件。半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)比金屬大 1~2 個(gè)數(shù)量級(jí)，二級(jí)管和三 極管的 PN 結(jié)電壓、電容對(duì)溫度靈敏度很高?；谏鲜鰷y(cè)溫原理已研制了各種溫度檢測(cè)元件。 (2) 集成電路溫度檢測(cè)元件 利用硅晶體管基極 — 發(fā)射極間電壓與溫度關(guān)系 （ 即半導(dǎo)體 PN 的溫度特性 ） 進(jìn)行溫度檢測(cè)，并把測(cè)溫、激勵(lì)、信號(hào)處理電路和放大電路集成一體，封裝于小型管殼內(nèi)，即構(gòu)成了集成電路溫度檢測(cè)元件。目前，國(guó)內(nèi)外也進(jìn)行了生產(chǎn)。 (3) 核磁共振溫度檢測(cè)器 所謂核磁共振現(xiàn)象是指具有核自旋的物質(zhì)置于靜磁場(chǎng)中時(shí)，當(dāng)與靜磁場(chǎng)垂直方向加以電磁波，會(huì)發(fā)生對(duì)某頻率電磁的吸收現(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(cè)器，稱為核磁共振溫度檢測(cè)器。這種檢測(cè)器精度極高，可以測(cè)量出千分之一開爾文，而且輸出的頻率信號(hào)適于數(shù)字化運(yùn)算處理，故是一種性能十分良好的溫度檢測(cè)器。在常溫下，可作理想的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)之用。 (4) 光纖溫度檢測(cè)器 在常規(guī)辦法無法測(cè)量的場(chǎng)合，光纖測(cè)溫得到較快發(fā)展。光纖溫度檢測(cè)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(guān)式溫度檢測(cè)器、輻射式溫度檢測(cè)器等多種實(shí)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)。 (6) 信息技術(shù)時(shí)代自動(dòng)化系統(tǒng)中的溫度檢測(cè)儀表 現(xiàn)代的工業(yè)過程自動(dòng)化系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，它是信息技術(shù)進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化后出現(xiàn)的新一代的自動(dòng)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自控裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。所有的現(xiàn)場(chǎng)儀表 （溫度檢 儀蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 表是其中一種 ） 均接到現(xiàn)場(chǎng)總線上。在這樣的系統(tǒng)中，通常不應(yīng)使用各有不同輸出的溫度計(jì)，必須將輸出轉(zhuǎn)變成統(tǒng)一的電信號(hào)，這樣“溫度計(jì)”就變成了“溫度變送器” 。在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)器 ，石英晶體溫度檢測(cè)器，激光溫度檢測(cè)器，微波溫度檢測(cè)器等溫度檢測(cè)器都有不同程度的發(fā)展。 課題研究背景及 本文主要內(nèi)容 溫度在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，對(duì)溫度的測(cè)量和控制直接關(guān)系到 生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確、合理地測(cè)量工業(yè)環(huán)境中 的 溫度成為了人們一直關(guān)注的問題。 本 設(shè)計(jì) 的 目的就是研究一種更快速，更準(zhǔn)確，操作起來更加方便的溫度測(cè)控系統(tǒng) 。 本文主要講述了用熱電偶測(cè)溫的主要 原理、實(shí)際硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和誤差分析。第 1 章介紹了溫度檢測(cè)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(cè)溫的主要原理，說明了熱電偶實(shí)際輸出電壓和溫度之間的關(guān)系，以及如何求得總的熱電動(dòng)勢(shì)。第 3 章講述了單片機(jī)系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) ，包括熱電偶的 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì) 及單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。整套儀器是由單片機(jī)系統(tǒng)控制的，包括 A/D 轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘 和 復(fù)位電路、鍵盤和 LED 顯示電路、溫度控制電路 等。利用熱電偶測(cè)得溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過必要的放大與 A/D 處理后，由單片機(jī)處理所得數(shù)據(jù)，最后把結(jié)果顯示出來。其中，信號(hào)調(diào)理 放大部 分電路的設(shè)計(jì)是整篇課題設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，投入了 很 大的 精力 。第 4 章介紹了本儀器的軟件設(shè)計(jì)，給出了軟件流程圖。第 5 章進(jìn)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(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。第 6 章講述了通過本儀器所得的結(jié)論并對(duì)未來的發(fā)展提出了新的展望。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 熱電偶測(cè)溫的基本原理 方案的提出 溫度 測(cè)量 有許多方法，但考慮到實(shí)際應(yīng)用于較廣泛的工業(yè)領(lǐng)域就需要測(cè)溫范圍寬的測(cè)溫元件，同時(shí)要將溫度信號(hào)轉(zhuǎn) 變成電信號(hào)來處理，因此采用熱電偶 作為檢測(cè)系統(tǒng)的一次儀表。熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、價(jià)格便 宜、準(zhǔn)確度高、測(cè)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。 熱電偶測(cè)溫的基本原理 熱電偶是熱電溫度計(jì)的敏感元件 。它的測(cè)溫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(shì)可 由三 個(gè) 不同的效應(yīng) 加以解釋 ，即 ： 賽貝克 (Seebeck)效應(yīng)、 珀 爾帖(Peltier)效應(yīng)和湯姆遜 (Thomson)效應(yīng)。 (1) 賽貝克效應(yīng) 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 連接在一起，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn) 1 和 2 的溫度不同時(shí) ， 如 圖 所示 。 如 0TT? ，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，此種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。該熱電動(dòng)勢(shì)就是著名的“賽貝克溫差電動(dòng)勢(shì)”，簡(jiǎn)稱“熱電動(dòng)勢(shì)”，計(jì)為 ABE 。導(dǎo)體 A、 B 稱為熱電極。接點(diǎn) 1 通常是焊接在一起的，測(cè)量時(shí)將它置于測(cè)溫場(chǎng)所感受被測(cè)溫度，故稱為測(cè)量端。接點(diǎn) 2 要求溫 度恒定，稱為參考端 （也被稱為冷端） 。 T T 0A AB1 2 圖 塞貝克效應(yīng)示意圖 ( 0TT? ) 熱電偶就是通過測(cè)量 熱電動(dòng)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的，即熱電偶測(cè)溫是基于熱電轉(zhuǎn)化現(xiàn)象 — 熱 電 現(xiàn)象。如果進(jìn)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(zhuǎn)化為電蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 能，用所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)量溫度。該電動(dòng)勢(shì)實(shí)際上是由接觸電勢(shì)（珀?duì)柼妱?shì)）與溫差電勢(shì)（ 湯姆 遜電勢(shì)）所組成。 (2) 接觸電勢(shì)（珀?duì)?帖 電勢(shì)） 導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度是不同的，當(dāng)兩種電子密度不同的導(dǎo)體 A 與 B 相互接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生自由電子擴(kuò)散現(xiàn)象，自由電子從電子密度 高的導(dǎo)體流向電子密度低的導(dǎo)體。電子擴(kuò)散的速率與自由電子的密度及所處的溫度成正比。例如導(dǎo)體 A 和 B 的電子密度分別為 AN 、 BN 并且， AN BN ，則在單位時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)體 A 擴(kuò)散到導(dǎo)體 B 的電子數(shù)比從 B 擴(kuò)散到 A 的電子數(shù)多，導(dǎo)體 A 因失去電子而帶正電， B 因獲得電子而帶負(fù)電，因此，在 A和 B 間形成了電位差如圖 所示 。 ∏AB 方 向A(T) B(T)NANB電 子 擴(kuò) 散 方 向 圖 接觸電勢(shì) 一旦電位差建立起來之后，將阻止電子繼續(xù)由 A 向 B 擴(kuò)散。在某一溫度下，經(jīng)過一定的時(shí)間，電子擴(kuò)散能力與上述電場(chǎng)阻力平衡，即在 A 與 B 接觸處的自由電子擴(kuò)散達(dá)到了動(dòng)平衡， 那么 ，在其接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)，稱為珀?duì)柼妱?shì)或接觸電勢(shì)，用符號(hào)AB(T)? 表示。由電子理論 AB(T)? 可用下式表示： AABBNkT(T) lneN?? () 式中 ： k — 玻耳茲曼常數(shù)，等于 2310? J/K； e — 元電荷，等于 1910? C； AN 、 BN — 在溫度為 T 時(shí)，導(dǎo)體 A 與 B 的電子密度； T — 接觸處的溫度（ K）。 對(duì)于導(dǎo)體 A， B 組成的閉合回路如圖 所示 ，兩接點(diǎn)的溫度分別為 T 、 0T 時(shí)，則相對(duì)應(yīng)的珀?duì)柼妱?shì)分別為： AABBNkT(T) lneN?? 0AAB 0BkT N(T ) lneN?? () 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 T0TABAB∏A B( T ) ∏A B( T0) 圖 熱電偶回路的珀?duì)柼妱?shì) 而 AB(T)? 與 AB 0(T)? 的方向相反，所以，回路總的珀?duì)柼妱?shì)為： AA B A B 0 0BNk( T ) ( T ) ( T T ) l neN? ? ? ? ? () 由式 ()看出：熱電偶回路的珀?duì)柼妱?shì)只與導(dǎo)體的性質(zhì)和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。溫差越大，接觸電勢(shì)越大，兩種導(dǎo)體電子密度比值越大，接觸電勢(shì)也越大。 (3) 溫差電勢(shì)（ 湯姆遜 電勢(shì)） 由于導(dǎo)體兩段溫度不同而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱溫差電勢(shì)。由于溫度梯度的存在，改變了電子的能量分布，高溫（ T ）端電子將向低溫端（ 0T ）擴(kuò)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(fù)電。因而，在同一導(dǎo)體兩端也產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，最后使電子擴(kuò)散建立一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)所建立的電位差稱溫差電勢(shì)或湯姆遜電勢(shì)。它與溫差有關(guān)，可用下式表示： 0TTσdT? () 式中， σ為湯姆遜系數(shù)，它表示溫差為 1℃ （或 1K）時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值，它的大小與材料性質(zhì)及兩 端 溫度有關(guān)。 T T0ABT T0AB 圖 熱電偶回路的溫差電勢(shì) 對(duì)于導(dǎo)體 A、 B 組成的熱電偶回路，當(dāng)接點(diǎn)溫度 0TT? 時(shí)， 如圖 所示。 回路中溫差電動(dòng)勢(shì)則為導(dǎo)體 A、 B 的溫差電勢(shì)的代數(shù)和，即： 0T ABT(σ σ )dT? () 上式表明，溫差電勢(shì)的大小，只與熱電極的材料及兩端的溫度有關(guān)，而與熱電極的幾何蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 尺寸和沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。 熱電偶閉合回路的總熱電動(dòng)勢(shì) 接觸電動(dòng)勢(shì)是由于 兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體接觸時(shí)產(chǎn)生的電勢(shì)，而溫差電勢(shì)則是對(duì)同一導(dǎo)體當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)產(chǎn)生的電勢(shì)。在圖 所示的閉合回路中，兩個(gè)接觸點(diǎn)有兩個(gè)接觸電勢(shì) AB(T)? 與 AB 0(T)? ，又因?yàn)?T 0T ，在導(dǎo)體 A 和 B 中還各有一個(gè)溫差電勢(shì) 如圖 所示 。 T0TAB0TAT σ dT?0TBT σ dT?AB∏ (T) AB 0∏ (T ) 圖 熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì) 因此 ， 閉合回路總電動(dòng)勢(shì) AB 0( , )E T T 應(yīng)為接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)的代數(shù)和，即 ： 0TA B A B A B 0 A BT( ) ( ) ( ) ( σ σ )T? ? ? ? ?0E T, T T T d () 所以 ： 0A B A B A B A B 0 A B00( ) ( ) d ( )( ) ( )? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???TT0E T ,T T T T d T? ? ? ? () 各接點(diǎn)的分熱電勢(shì) e 等于相應(yīng)的接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)的代數(shù)和 ，可用下式表示： A B A B A B0( ) ( ) ( )?? ? Te T T d T?? 0A B 0 A B 0 A B0( ) ( )()? ? ? ?? Te T T d T?? () 在總電動(dòng)勢(shì)中，接觸電勢(shì)較溫差電勢(shì)大得多，因此，它的極性也就取決于接觸電勢(shì)的極性。當(dāng) T 0T 時(shí)， AB()eT與總熱電動(dòng)勢(shì)的方向一致，而 AB 0()eT與總電動(dòng)勢(shì)方向相反。所以總熱電動(dòng)勢(shì)可表示成如下形式 ： A B 0 A B A B 0 A B B A 0( , ) ( ) ( ) ( ) ( )? ? ? ?E T T e T e T e T e T () 由 此可見，熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)等于各接點(diǎn)分電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和 。 ()??E e T () 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度恒定時(shí)， AB 0()eT為常數(shù) C，則總電動(dòng)勢(shì)就變成測(cè)量端溫度 T 的單值函數(shù) ，即 ： A B 0 A B( , ) ( ) C ( )? ? ?E T T e T f T () 當(dāng) 0T 恒定不變時(shí)，熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)只隨測(cè)量端溫度的變化而變化，即一定的熱