【文章內(nèi)容簡介】 不同導體接觸時，自由電子由密度大的導體向密度小的導體擴散，直至達到動態(tài)平衡時形成的熱電勢。電子擴散的速率與自由電子的密度和所處的溫度成正比。設(shè)導體 A 和 B 的電子密度分別為 NA 和 NB，并且NANB，則在單位時間內(nèi)，由導體 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 因推動電子而帶正電，導體 B 因獲得電子而帶負電，因此，在 A 和 B 之間形成了電勢差。這個電勢在 A, B 接觸處形成一個靜電場，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。在某一溫度下，電子擴散能力與靜電場的阻力達到動態(tài)平衡，此時在接點處形成接觸電勢，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)分別為導體 A 和 B 的兩個接點在溫度 T 和 To 時的電位差。 NAT 和 NAT0為導體 A 在溫度分別為 T 和 T0時的電子密度， NBT 和 NBT0為導體 B 在溫度分別為 T 和T0時的電子密度。 從式 可以看出，接觸電勢的大小與該接點溫度的高低以及導體 A 和 B 的電子密度比值有關(guān)，溫度越高，接觸電勢越大，兩種導體電子密度的比值越大，接觸電勢也越大。 ⑵ 單一導體中的溫差電勢 溫差電勢是基于湯姆遜效應產(chǎn)生的 ，即同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。設(shè)導體 A(或 B)兩端溫度分別為 T 和 T0，且 TT0，此時形成溫度梯度，使高溫端的電子能量大于低溫端的電子能量，因此從高溫端擴散到低溫端的電子數(shù)比從低溫端擴散到高溫端的要多，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電荷。因而，在同一導體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴散，最后內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 使電子擴散達到動態(tài)平衡，此時所形成的電位差稱作溫差電勢。 A， B 導體分別都有溫差電勢產(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 分別為導體 A， B 在某溫度 T 時的電子密度； EA(T， T0)和 EB(T， T0)分別為 A 和 B 兩端在 T 和 T0 (T T0)時的溫差電勢。 ⑶ 熱電偶閉合回路的總電勢 如圖 所示的熱電偶閉合回路中將產(chǎn)生兩個溫差電勢 EA(T， T0)和 EB(T， T0)及兩個接觸電勢 EAB(T)和 EAB(T0)。設(shè) TTo、 NA NB，由于溫差電勢比接觸電勢小，所以在總電勢中，以導體 AB 在熱端的接觸電勢 EAB(T)所占 百分比大，決定了總電勢的方向，這時總電勢 EAB(T， T0)可寫成： 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分布示意圖 由式 可知，熱電偶總電勢與電子密度及兩接觸點溫度有關(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，當熱電偶材料一定時，熱電偶的總電勢 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)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 如果能使冷端溫度 T0固定，即 0()f T C? (常數(shù) )，則對確定的熱電偶材料，其總電勢 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?? () 這種特性稱為熱電偶的熱電特性，可通過實驗方法求得。由此可見，當保持熱電偶冷端溫度 T0不變時，只要用儀表測得熱電勢 EAB(T， T0)，就可求得被測溫度。 熱電偶的分類 常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不 及標準熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量，這里我們主要介紹標準熱電偶。目前國際上規(guī)定了以下 8 種標準熱電偶： S 型、 R 型、 B 型、 K 型、 N 型、 T 型、 E型和 J 型。我國從 1988 年 1 月 1 日起，熱電偶全部按 IEC 國際標準生產(chǎn)，并指定 S, B,E, K, R, J, T 七種標準熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。 熱電偶的冷端溫度補償 及線性化 熱電偶的冷端溫度補償 冷端溫度 T0影響熱電偶的熱電勢，為使輸出電勢是被測溫度 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，總是規(guī)定 T0=0℃ ，但實 際測溫時很難保證，因此必須對熱電偶冷端進行處理，以消除 T0變化對輸出電勢的影響，才能保證測量精度。該過程稱為熱電偶的冷端補償。 常用的補償方法有： ⑴ 0℃恒溫法 在標準大氣壓下將純凈的水和冰混合置于保溫容器，強制性使 T0保持 0℃ 。雖然近內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 年來已出現(xiàn)一種能使溫度恒定在 0℃的半導體制冷器件， 但 此方法通常只適用于實驗室，不便于現(xiàn)場環(huán)境使用。 ⑵ 計算修正法 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℃時的測量值與查表得到的 E（ T0， 0） 相加即可得到 E（ T， 0） ，再反查 分度表，可得到被測溫度T。此法較精確但繁瑣 ， 尤其在現(xiàn)場冷端溫度隨時變化時，測量效率難以保證實時要求。在構(gòu)成數(shù)字測溫儀表時必須增加無冷端效應的測溫元件或在 A/D 轉(zhuǎn)換通道增加對 T0 的預處理，造成硬件投資增大，測量速度下降。 ⑶ 電橋補償法 該法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補償熱電偶 T0變化對輸出電勢的影響，是現(xiàn)場常用的冷端補償方法。其優(yōu)點是使用方便，硬件投資小，測量效率高 ； 缺點在于熱電偶的冷端效應是非線性的，而不平衡電橋輸出是線性的，因而多數(shù)情況下是欠補償或過補償，難以實現(xiàn)完全補償。 ⑷ 集成溫度傳感器補償 利用各 種高性能的半導體溫度傳感器實現(xiàn)測溫和補償，如電流輸出型器件 AD590，電壓輸出型器件 LM135， LM235， LM335 系列。其特點是輸出電流或輸出電壓與絕對溫度成嚴格的線性關(guān)系，冷端補償是通過在其輸出端增加簡單的電阻回路實現(xiàn) ； 缺點依然是選擇用于補償 E（ T0， 0） 的電阻值時，只能在某一溫度 （ 如 20℃ ） 時可實現(xiàn)完全補償，溫度變化 時 則引 入 誤差。 熱電偶的線性化處理方法 熱電偶作為測溫元件，其輸出信號與溫度之間存在著一定程度的非線性關(guān)系，在進行信號傳送及數(shù)據(jù)處理時，往往希望其特性為線性的，因而有必要對其非線性 特性進行線性化處理。據(jù)現(xiàn)在溫度檢測及控制系統(tǒng)使用情況來看，主要可采用模擬線性化和數(shù)字線內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 性化兩種方法。 ⑴ 模擬線性化 對來 自熱電偶的輸出 信號采用模擬線性化處理，實現(xiàn)起來簡單 且成本低廉，基本 誤差可控制在 2%以下 ， 能滿足一般工業(yè)檢測及控制的要求 。 設(shè)某熱電偶的熱電勢與其溫度之間的變化曲線如圖 中的實線所示 。 由于工業(yè)常用的幾種熱電偶的輸出特性曲線存在共同特點，即除了曲線起始部分非線性較嚴重以外，其它部分線性較好 。 因此，可考慮將曲線的線性部分延長，如圖 中虛線所示 ， 用此虛線代替原曲線的起始部分，這樣 用一條斜線代替原來的曲線，斜線與縱軸的交點稱折點電位 。 從而實現(xiàn)了將原特性曲線的線性化處理，這 種方式在信號處理稱“平滑近似法”。 折 點 電 位近 似 直 線熱 電 勢 / m V溫 度 / % 圖 熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系 ⑵數(shù)字線性化 如果熱電偶輸出的模擬信號已經(jīng)過數(shù)字化處理，那么此時的線性化方式就要采用數(shù)字線性化，此方法主要的技術(shù)包括存貯器 (ROM)和一些計算方法，多用在采用計算機技術(shù)的檢 測 及控制系統(tǒng)中 。 在系統(tǒng)設(shè)計 時，盡可能地用軟件代替硬件，以減少誤差及干擾來源 ，提高精度及可靠程度 。 基于 這些優(yōu)點，在高精度 、高穩(wěn)定的 溫 度 測 量及控制場合，一般采用數(shù)字線性化進行數(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變化均較平滑的特點，可采用線性內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 插值法進行處理，并且可達到比較好的效果。 .具體實現(xiàn)方法是在系統(tǒng)軟件設(shè)計時設(shè)置一個具有“非線性特性處理”功能的模塊，此模塊設(shè)計步驟如下。 首先，根據(jù)熱電偶輸出的 mV 信號分度表，作出一條比較精確的輸入 — 輸出曲線。 其次 ，對特性曲線分段，選取插值點。分段方法采取非等間距分段法。熱電偶的特性曲線特點是起始部分斜率變化較大，而中部曲線平緩，接近線性，因此取插值點時在起始部分間距取小一 點，中部間距取大點。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，加快計算速度。 然后，根據(jù)確定的插值點，計算熱電偶輸出電勢與溫度的函數(shù)關(guān)系。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 熱電偶溫度巡檢儀方案選擇與設(shè)計 熱電偶溫度巡檢儀 基于單片機的溫度巡檢儀 Intel 公司的 MCS51 系列以其體積小、通用性強，性價比高，易于擴展等特點，在實驗裝置的開發(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用。可開發(fā)基于單片機的對溫度進行巡檢的多功能智能儀表，用 MCS51 單片機匯編語言進行軟件設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)功能，把程序分成了幾個相對 獨立的模塊，先分別調(diào)試各個模塊，然后再鏈接進行總的仿真調(diào)試。 根據(jù)目前 單片機 儀表的一般特點 ，溫度巡檢儀 的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。恒流源及信號切換儀用放大程控偏置放大A / D 轉(zhuǎn)換CPU鍵 盤 / 顯 示報 警 輸 出通 信 電 路存 儲 電 路電 源 電 路信號端圖 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)成測量系統(tǒng)核心的微處理器 — 單片機 、檢測溫度的敏感元件 — 熱電 偶 、信號的采集電路 — 恒流源電路、信號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、存儲電路以及電源電路。信號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量的范圍較寬 ， 如果 不加該級電路 會造成整個測量系統(tǒng)分辨力不高而降低測量精度。 [4] 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（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，由用戶定義儀器功能。因為它的運行主要依賴軟件，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。虛擬儀器不但造價低，而且通過修改軟件可增加它的適應性，進而延 長 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、開放、易 用 靈活、功能強 大 、性價比高、可操作性好等明 顯優(yōu)點 ,具體表現(xiàn)為： ⑴ 智能化程度高，處理能力強 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 戶完全可以根據(jù)實際應 用 需求，將先進的信號處理算法、人 工 智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應 用 于儀器設(shè)計與集成， 從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。 ⑵ 應 用 性強，系統(tǒng)費 用 低 應 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試分析儀器，如同一個高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計出數(shù)字 示 波器、邏輯分析儀、計數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費用更低。通過與計 算機網(wǎng)絡(luò)連接，還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式 共享 ，更好地發(fā)揮儀器的使用價值。 ⑶ 操作性強，易用靈活 虛擬儀器 面 板可由