【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 不同導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)形成的熱電勢(shì)。電子擴(kuò)散的速率與自由電子的密度和所處的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體 A 和 B 的電子密度分別為 NA 和 NB，并且NANB，則在單位時(shí)間內(nèi)，由導(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 因推動(dòng)電子而帶正電，導(dǎo)體 B 因獲得電子而帶負(fù)電，因此，在 A 和 B 之間形成了電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)在 A, B 接觸處形成一個(gè)靜電場(chǎng)，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。在某一溫度下，電子擴(kuò)散能力與靜電場(chǎng)的阻力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)在接點(diǎn)處形成接觸電勢(shì)，如式 所示 () ATAB BTKT NE T LneN? ； 000() ATAB BTK T NE T LneT? () 式中， e 為單位電荷， e=* 1019 C； K 為玻耳茲曼常數(shù)， K=*1023J/K； EAB (T)和 EAB(T0)分別為導(dǎo)體 A 和 B 的兩個(gè)接點(diǎn)在溫度 T 和 To 時(shí)的電位差。 NAT 和 NAT0為導(dǎo)體 A 在溫度分別為 T 和 T0時(shí)的電子密度， NBT 和 NBT0為導(dǎo)體 B 在溫度分別為 T 和T0時(shí)的電子密度。 從式 可以看出，接觸電勢(shì)的大小與該接點(diǎn)溫度的高低以及導(dǎo)體 A 和 B 的電子密度比值有關(guān)，溫度越高，接觸電勢(shì)越大，兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電勢(shì)也越大。 ⑵ 單一導(dǎo)體中的溫差電勢(shì) 溫差電勢(shì)是基于湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的 ，即同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。設(shè)導(dǎo)體 A(或 B)兩端溫度分別為 T 和 T0，且 TT0，此時(shí)形成溫度梯度，使高溫端的電子能量大于低溫端的電子能量，因此從高溫端擴(kuò)散到低溫端的電子數(shù)比從低溫端擴(kuò)散到高溫端的要多，結(jié)果使高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因獲得電子而帶負(fù)電荷。因而，在同一導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，最后內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 使電子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)所形成的電位差稱(chēng)作溫差電勢(shì)。 A， B 導(dǎo)體分別都有溫差電勢(shì)產(chǎn)生，可由式 表示 0A01E ( T ,T ) = ( , )T ATTATK d N TeN? ； 0B01E ( T ,T ) = ( , )T BTTBTK d N TeN? () 式中 NAT 和 NBT 分別為導(dǎo)體 A， B 在某溫度 T 時(shí)的電子密度； EA(T， T0)和 EB(T， T0)分別為 A 和 B 兩端在 T 和 T0 (T T0)時(shí)的溫差電勢(shì)。 ⑶ 熱電偶閉合回路的總電勢(shì) 如圖 所示的熱電偶閉合回路中將產(chǎn)生兩個(gè)溫差電勢(shì) EA(T， T0)和 EB(T， T0)及兩個(gè)接觸電勢(shì) EAB(T)和 EAB(T0)。設(shè) TTo、 NA NB，由于溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小，所以在總電勢(shì)中，以導(dǎo)體 AB 在熱端的接觸電勢(shì) EAB(T)所占 百分比大，決定了總電勢(shì)的方向，這時(shí)總電勢(shì) EAB(T， T0)可寫(xiě)成： 000 00 0 0 00( , ) ( ) ( , ) ( ) ( , )11( ) ( )A B A B B A B ATTA T A TB T A TA T B T A T A TE T T E T E T T E T E T TK T N K K T N KLn d N T Ln d N Te B e N e B e N? ? ? ?? ? ? ??? () 經(jīng)整理后推導(dǎo)可得： 00( , )T ATABT BTKNE T T dTeN? ? () T A (T,T 0 )T B (T,T 0 )E AB (T) E AB (T 0 ) 圖 熱電偶閉合回路的電勢(shì)分布示意圖 由式 可知，熱電偶總電勢(shì)與電子密度及兩接觸點(diǎn)溫度有關(guān)。電子密度不僅取決于熱電偶材料特性，而且隨溫度的變化而變化 ，它們并非常數(shù)。所以，當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總電勢(shì) EAB(T， T0)成為溫度 T 和 T0的函數(shù)差，即 00( , ) ( ) ( )ABE T T f T f T?? (2. 5) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 如果能使冷端溫度 T0固定，即 0()f T C? (常數(shù) )，則對(duì)確定的熱電偶材料，其總電勢(shì) EAB(T， T0)就只與熱端溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，即 0( , ) ( )ABE T T f T C?? () 這種特性稱(chēng)為熱電偶的熱電特性，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法求得。由此可見(jiàn)，當(dāng)保持熱電偶冷端溫度 T0不變時(shí)，只要用儀表測(cè)得熱電勢(shì) EAB(T， T0)，就可求得被測(cè)溫度。 熱電偶的分類(lèi) 常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類(lèi)。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不 及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量，這里我們主要介紹標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。目前國(guó)際上規(guī)定了以下 8 種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶： S 型、 R 型、 B 型、 K 型、 N 型、 T 型、 E型和 J 型。我國(guó)從 1988 年 1 月 1 日起，熱電偶全部按 IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 S, B,E, K, R, J, T 七種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 及線(xiàn)性化 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 冷端溫度 T0影響熱電偶的熱電勢(shì)，為使輸出電勢(shì)是被測(cè)溫度 T 的單一函數(shù)，必須使冷端溫度固定。在熱電偶檢定和分度表制作時(shí)，總是規(guī)定 T0=0℃ ，但實(shí) 際測(cè)溫時(shí)很難保證，因此必須對(duì)熱電偶冷端進(jìn)行處理，以消除 T0變化對(duì)輸出電勢(shì)的影響，才能保證測(cè)量精度。該過(guò)程稱(chēng)為熱電偶的冷端補(bǔ)償。 常用的補(bǔ)償方法有： ⑴ 0℃恒溫法 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下將純凈的水和冰混合置于保溫容器，強(qiáng)制性使 T0保持 0℃ 。雖然近內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 年來(lái)已出現(xiàn)一種能使溫度恒定在 0℃的半導(dǎo)體制冷器件， 但 此方法通常只適用于實(shí)驗(yàn)室，不便于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用。 ⑵ 計(jì)算修正法 由中間溫度定律， 00( , 0 ) ( , ) ( , 0 )E a b T E a b T T E a b T??,將冷端溫度 T0≠ 0℃時(shí)的測(cè)量值與查表得到的 E（ T0， 0） 相加即可得到 E（ T， 0） ，再反查 分度表，可得到被測(cè)溫度T。此法較精確但繁瑣 ， 尤其在現(xiàn)場(chǎng)冷端溫度隨時(shí)變化時(shí)，測(cè)量效率難以保證實(shí)時(shí)要求。在構(gòu)成數(shù)字測(cè)溫儀表時(shí)必須增加無(wú)冷端效應(yīng)的測(cè)溫元件或在 A/D 轉(zhuǎn)換通道增加對(duì) T0 的預(yù)處理，造成硬件投資增大，測(cè)量速度下降。 ⑶ 電橋補(bǔ)償法 該法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來(lái)補(bǔ)償熱電偶 T0變化對(duì)輸出電勢(shì)的影響，是現(xiàn)場(chǎng)常用的冷端補(bǔ)償方法。其優(yōu)點(diǎn)是使用方便，硬件投資小，測(cè)量效率高 ； 缺點(diǎn)在于熱電偶的冷端效應(yīng)是非線(xiàn)性的，而不平衡電橋輸出是線(xiàn)性的，因而多數(shù)情況下是欠補(bǔ)償或過(guò)補(bǔ)償，難以實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。 ⑷ 集成溫度傳感器補(bǔ)償 利用各 種高性能的半導(dǎo)體溫度傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)溫和補(bǔ)償，如電流輸出型器件 AD590，電壓輸出型器件 LM135， LM235， LM335 系列。其特點(diǎn)是輸出電流或輸出電壓與絕對(duì)溫度成嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系，冷端補(bǔ)償是通過(guò)在其輸出端增加簡(jiǎn)單的電阻回路實(shí)現(xiàn) ； 缺點(diǎn)依然是選擇用于補(bǔ)償 E（ T0， 0） 的電阻值時(shí)，只能在某一溫度 （ 如 20℃ ） 時(shí)可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，溫度變化 時(shí) 則引 入 誤差。 熱電偶的線(xiàn)性化處理方法 熱電偶作為測(cè)溫元件，其輸出信號(hào)與溫度之間存在著一定程度的非線(xiàn)性關(guān)系，在進(jìn)行信號(hào)傳送及數(shù)據(jù)處理時(shí)，往往希望其特性為線(xiàn)性的，因而有必要對(duì)其非線(xiàn)性 特性進(jìn)行線(xiàn)性化處理。據(jù)現(xiàn)在溫度檢測(cè)及控制系統(tǒng)使用情況來(lái)看，主要可采用模擬線(xiàn)性化和數(shù)字線(xiàn)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 性化兩種方法。 ⑴ 模擬線(xiàn)性化 對(duì)來(lái) 自熱電偶的輸出 信號(hào)采用模擬線(xiàn)性化處理，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單 且成本低廉，基本 誤差可控制在 2%以下 ， 能滿(mǎn)足一般工業(yè)檢測(cè)及控制的要求 。 設(shè)某熱電偶的熱電勢(shì)與其溫度之間的變化曲線(xiàn)如圖 中的實(shí)線(xiàn)所示 。 由于工業(yè)常用的幾種熱電偶的輸出特性曲線(xiàn)存在共同特點(diǎn)，即除了曲線(xiàn)起始部分非線(xiàn)性較嚴(yán)重以外，其它部分線(xiàn)性較好 。 因此，可考慮將曲線(xiàn)的線(xiàn)性部分延長(zhǎng)，如圖 中虛線(xiàn)所示 ， 用此虛線(xiàn)代替原曲線(xiàn)的起始部分，這樣 用一條斜線(xiàn)代替原來(lái)的曲線(xiàn)，斜線(xiàn)與縱軸的交點(diǎn)稱(chēng)折點(diǎn)電位 。 從而實(shí)現(xiàn)了將原特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性化處理，這 種方式在信號(hào)處理稱(chēng)“平滑近似法”。 折 點(diǎn) 電 位近 似 直 線(xiàn)熱 電 勢(shì) / m V溫 度 / % 圖 熱電偶的熱電勢(shì)與溫度關(guān)系 ⑵數(shù)字線(xiàn)性化 如果熱電偶輸出的模擬信號(hào)已經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理，那么此時(shí)的線(xiàn)性化方式就要采用數(shù)字線(xiàn)性化，此方法主要的技術(shù)包括存貯器 (ROM)和一些計(jì)算方法，多用在采用計(jì)算機(jī)技術(shù)的檢 測(cè) 及控制系統(tǒng)中 。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì) 時(shí)，盡可能地用軟件代替硬件，以減少誤差及干擾來(lái)源 ，提高精度及可靠程度 。 基于 這些優(yōu)點(diǎn)，在高精度 、高穩(wěn)定的 溫 度 測(cè) 量及控制場(chǎng)合，一般采用數(shù)字線(xiàn)性化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 。 根據(jù)目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的幾種熱電偶特性曲線(xiàn)變化均較平滑的特點(diǎn)，可采用線(xiàn)性?xún)?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 插值法進(jìn)行處理，并且可達(dá)到比較好的效果。 .具體實(shí)現(xiàn)方法是在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置一個(gè)具有“非線(xiàn)性特性處理”功能的模塊，此模塊設(shè)計(jì)步驟如下。 首先，根據(jù)熱電偶輸出的 mV 信號(hào)分度表，作出一條比較精確的輸入 — 輸出曲線(xiàn)。 其次 ，對(duì)特性曲線(xiàn)分段，選取插值點(diǎn)。分段方法采取非等間距分段法。熱電偶的特性曲線(xiàn)特點(diǎn)是起始部分斜率變化較大，而中部曲線(xiàn)平緩，接近線(xiàn)性，因此取插值點(diǎn)時(shí)在起始部分間距取小一 點(diǎn)，中部間距取大點(diǎn)。這樣取法不僅精度可以得到保證，而且可節(jié)省所占用的內(nèi)存空間，加快計(jì)算速度。 然后，根據(jù)確定的插值點(diǎn)，計(jì)算熱電偶輸出電勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 第三章 熱電偶溫度巡檢儀方案選擇與設(shè)計(jì) 熱電偶溫度巡檢儀 基于單片機(jī)的溫度巡檢儀 Intel 公司的 MCS51 系列以其體積小、通用性強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)裝置的開(kāi)發(fā)，各種智能儀表及控制系統(tǒng)和家用電器領(lǐng)域得到了日益廣泛的運(yùn)用?？砷_(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的對(duì)溫度進(jìn)行巡檢的多功能智能儀表，用 MCS51 單片機(jī)匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)功能，把程序分成了幾個(gè)相對(duì) 獨(dú)立的模塊，先分別調(diào)試各個(gè)模塊，然后再鏈接進(jìn)行總的仿真調(diào)試。 根據(jù)目前 單片機(jī) 儀表的一般特點(diǎn) ，溫度巡檢儀 的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。恒流源及信號(hào)切換儀用放大程控偏置放大A / D 轉(zhuǎn)換CPU鍵 盤(pán) / 顯 示報(bào) 警 輸 出通 信 電 路存 儲(chǔ) 電 路電 源 電 路信號(hào)端圖 1 溫 度 巡 檢 儀 原 理 結(jié) 果 圖 圖 溫度巡檢儀的原理結(jié)構(gòu)框圖 從圖 可知 溫度巡檢儀 主要包括構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)核心的微處理器 — 單片機(jī) 、檢測(cè)溫度的敏感元件 — 熱電 偶 、信號(hào)的采集電路 — 恒流源電路、信號(hào)的切換及偏置放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、顯示輸出電路、通信電路、存儲(chǔ)電路以及電源電路。信號(hào)的切換是為多路要求而設(shè)置的 ， 程控偏置的原因是考慮溫度測(cè)量的范圍較寬 ， 如果 不加該級(jí)電路 會(huì)造成整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)分辨力不高而降低測(cè)量精度。 [4] 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 基于虛擬儀器的溫度巡檢儀 虛擬儀器徹底改變了傳統(tǒng)儀器由生產(chǎn)廠(chǎng)家定義功能的模式，而是在少量附加硬件的基礎(chǔ)上，由用戶(hù)定義儀器功能。因?yàn)樗倪\(yùn)行主要依賴(lài)軟件，所以修改或增加功能、改善性能都非常靈活，也便于利 用 PC 的軟硬件資源和直接使 用 PC 的外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)功能。虛擬儀器不但造價(jià)低，而且通過(guò)修改軟件可增加它的適應(yīng)性，進(jìn)而延 長(zhǎng) 它的 生 命周期，是一種具有很好發(fā)展前景的儀器。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開(kāi)放、易 用 靈活、功能強(qiáng) 大 、性?xún)r(jià)比高、可操作性好等明 顯優(yōu)點(diǎn) ,具體表現(xiàn)為： ⑴ 智能化程度高，處理能力強(qiáng) 虛擬儀器的處理能力和智能化程度 主 要取決于儀器軟件水平。 用 戶(hù)完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng) 用 需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人 工 智能技術(shù)和專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng) 用 于儀器設(shè)計(jì)與集成， 從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。 ⑵ 應(yīng) 用 性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi) 用 低 應(yīng) 用 虛擬儀器思想， 用 相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，如同一個(gè)高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字 示 波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測(cè)試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開(kāi)放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過(guò)與計(jì) 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式 共享 ，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。 ⑶ 操作性強(qiáng)，易用靈活 虛擬儀器 面 板可由