【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，要使冷鍛溫度保持在 0 ℃ 是比較困難的，所以，要根據(jù)不同的使用條件及要求的測(cè)量精度，對(duì)熱電偶冷端溫度采用一些不同的處理方法。常用的方法有： (1)補(bǔ)償導(dǎo)線法 由于熱電偶接線盒與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的長(zhǎng)度有限，一般為 150mm左右（除鎧裝熱電偶以外），這樣熱電偶的冷端距離被測(cè)對(duì)象較近，冷端會(huì)受到被測(cè)對(duì)象溫度及環(huán)境溫度影響，使其溫度發(fā)生變化。如果把熱電極做得很長(zhǎng)，使冷端延伸到溫度恒定的地方，一方面對(duì)于貴重金屬熱電偶很不經(jīng)濟(jì)，另一方面熱電極線路不便于敷設(shè)且易受干擾影響，顯示是不可行的。解決這一問題的方法是 使用補(bǔ)償導(dǎo)線。 補(bǔ)償導(dǎo)線是由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬材料制成的，在一定溫度范圍內(nèi)（ 0100176。c）與所配接的熱電偶具有相同的熱電特性的特殊導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線分為延伸型（ x）補(bǔ)償導(dǎo)線和補(bǔ)償型（ c）補(bǔ)償導(dǎo)線。延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線選用 .的金屬材料與熱電極材料相同；補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線所選金屬材料與熱電極材料不同 。必須指出，補(bǔ)償導(dǎo)線本身不能消除新冷端溫度變化對(duì)回路熱電勢(shì)的影響，應(yīng)使新冷端溫度恒定。 (2) 冰點(diǎn)法 冰點(diǎn)法是將補(bǔ)償導(dǎo)線末端放入冰水混合物或零度恒溫器中 , 這樣 , 熱電偶冷端的溫度就是0 ℃ , 可直接測(cè)出熱端溫度。該方法 原理簡(jiǎn)單 , 測(cè)量誤差小 , 一般情況下誤差可忽略不計(jì) , 但冰水混合物制作、維護(hù)麻煩 , 而零度恒溫器容量又小 , 所以 , 這種方法多用于實(shí)驗(yàn)室。 (3)熱電勢(shì)修正法 該方法是基于中間溫度定律。通過估計(jì)或?qū)崪y(cè)冷端溫度 T0 , 從分度表中查得 EAB ( T0 , 0) , 將此值與測(cè)量值 EAB ( T , T0 ) 相加 , 即得 EAB ( T , 0) ,再反查分度表即可求出熱端溫度T 。 此法測(cè)量精確但工作繁瑣 , 冷端溫度變化頻率較高時(shí) , 測(cè)量效率難以保證實(shí)時(shí)性要求 , 故 第 9 頁 共 47頁 少用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) , 可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)溫 或?qū)Ю涠搜a(bǔ)償?shù)亩伪磉M(jìn)行校驗(yàn)等。 (4) 電橋補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償法是現(xiàn)場(chǎng)最常用的冷端補(bǔ)償法之一 , 它是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度 T0 的變化對(duì)輸出電勢(shì)的影響 。 在補(bǔ)償導(dǎo)線末端放置一個(gè)電阻溫度傳感器Rt , 通過選擇合適的補(bǔ)償電橋參數(shù) , 使電橋輸出電壓的大小正好補(bǔ)償因冷端溫度 T0而引起的熱電勢(shì) EAB (T0 ,0) , 這樣就得到 EAB ( T , 0) , 從而消除了冷端溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響 , 實(shí)現(xiàn)了冷端補(bǔ)償。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、硬件投資少 , 但因熱電偶是非線性的 , 而補(bǔ)償電橋則是線 性的 , 因而難以實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償 , 常出現(xiàn)欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償現(xiàn)象 , 另外 , 還存在與分度號(hào)匹配問題 , 補(bǔ)償電橋與熱電偶的分度號(hào)必須是一一對(duì)應(yīng)的 , 通用性差。 (5)二極管補(bǔ)償法 由 PN 結(jié)理論可知 , 在室溫附近 , 當(dāng)流經(jīng) PN 結(jié)的電流恒定時(shí) , PN 結(jié)溫度每升高 1 ℃ , 其正向電壓將減小 2～ 215mV (具體數(shù)值由 PN 結(jié)參數(shù)確定 ) ,據(jù)此特性 , 可設(shè)計(jì)相應(yīng)熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電路。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便 , 補(bǔ)償精度可達(dá) ℃ , 補(bǔ)償范圍為 25 ℃ ～ 80 ℃ 。 (6)集成溫度傳感器補(bǔ)償法 這種方法是利用 高性能半導(dǎo)體溫度傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)溫和補(bǔ)償?shù)?, 其原理是由集成溫度傳感器測(cè)得冷端溫度 , 再與熱電偶所測(cè)溫差疊加而得到熱端溫度。該補(bǔ)償法方法簡(jiǎn)單、精度高、線性好。 目前 , 可用器件有電流輸出型器件 AD590 和電壓輸出型器件 LM135 、 LM235 、LM335 等 , 其中 AD590 應(yīng)用廣泛 , 其輸出電流與絕對(duì)溫度成正比 ,如將 AD590 的輸出電流通過 1k 電阻 , 即可獲得 1mV/ K的輸出電壓 , 信號(hào)處理方便。 (7)軟件補(bǔ)償法 在智能溫度測(cè)控系統(tǒng)中 , 常用軟件方法實(shí)現(xiàn)冷端溫度補(bǔ)償 , 如圖 4 所示 , 熱電偶和冷端溫度傳感器的輸出信號(hào)分別被調(diào)理成 0～ 5V 的電壓 , 并經(jīng)多路模擬開關(guān)和 A/ D 轉(zhuǎn)換后 , 再由單片機(jī)內(nèi)程序進(jìn)行冷端補(bǔ)償處理 , 這樣可將溫度的檢測(cè)精度大大提高 , 而且 ,對(duì)于不同分度號(hào)的熱電偶 , 只要改變機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表即可 , 系統(tǒng)的適應(yīng)性大大增強(qiáng) , 使用方便 。 熱電偶溫度信號(hào)的線性化 在理想的情況下熱電偶的熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。實(shí)際上，熱電偶溫度信號(hào)非性是比較大的，溫度從 0℃ 升高到 1800℃ ，熱電勢(shì)從 0mv變化到 ，每 100℃ 熱電勢(shì)增加最大值約為最小值的 8倍。 熱電偶溫度信號(hào)的線 性化主要有如下幾種方法 [6]。 （ 1）單反饋法。利用負(fù)反饋，可以改善其線性，但是很有限。幾種非線性稍小的熱電偶，在溫區(qū)要求不寬的情況下，可以采用這種方法。有時(shí)，由于在某一溫區(qū)有精度 要求，那么就在該溫區(qū)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，達(dá)到要求的目標(biāo)；在沒有精度要求溫區(qū)可以放寬，只作監(jiān)視用。 （ 2）折線近似法。這是一種對(duì)非線性較大信號(hào)處理的較好方法，處理得好可以達(dá)到較高的精度。它普遍適用于各種熱電偶的整個(gè)正信號(hào)溫區(qū) 。 第 10 頁 共 47頁 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路構(gòu)成 硬件電路由縣好處理單元 、 AD轉(zhuǎn)換電路、放大電路、顯示電路、串行輸出電路 、電源電路組成。 系統(tǒng)組成框圖如下圖 21 所示： 圖 21 硬件組成原理方框圖 微型計(jì)算機(jī)的選擇 本系統(tǒng)選用單片機(jī) A T89C51 為主機(jī) 。 AT89C51是 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能COMS 8位單片機(jī)， 有 4 K 的 FLA SH 工藝的程序存儲(chǔ)器 , 256 字節(jié)的數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器以及 32 個(gè) I/O 口。 利用 89C51串行輸出工作方式，使 89C51的利用率大大提高，外部電路得以簡(jiǎn)化。 89C51可 直接與鍵盤進(jìn)行掃描讀數(shù)，可直接用串 /并行轉(zhuǎn)換模塊 74LS164驅(qū)動(dòng) LED顯示溫度值。 AT89C51的引腳 與 8031相同， 不需要擴(kuò)展即能滿足要求 [7， 8]。 其主要功能特性有 [9]： 1) 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)兼容 2) 片內(nèi)有 4K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲(chǔ)器 3) 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 4) 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間為 10 年 5) 寬工作電壓范圍： Vcc 可為 ～ 6V 6) 全靜態(tài)工作：可從 0Hz 至 24MHz 數(shù)碼顯示模數(shù)轉(zhuǎn)換AD 574輸出單元數(shù)據(jù)采集單元信號(hào)處理單元多路開關(guān)K 熱電偶及冷端溫度補(bǔ)償單片計(jì)算機(jī)恒流源多路開關(guān) AD 590放大單元多路開關(guān)量程調(diào)整串行輸出 第 11 頁 共 47頁 7) 程序存儲(chǔ)器具有 3 級(jí)加密保護(hù) 8) 1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM 9) 32 個(gè)可編程 I/O 口線 10) 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 11) 6 個(gè)中斷源 12) 可編程串行 UART 通道 13) 低功耗空閑和掉電模式 14) 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 熱電偶 的選擇 熱電偶是測(cè)量傳感器 ,。熱電偶傳感器具有價(jià)廉、精度高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬 (通常從 50～ + 1600 ℃ )及反應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)它的選擇將直接影響檢測(cè)誤差大小。目前多選用 K 型 (鎳鉻 —鎳硅 )或 S 型 (鉑銠 —鉑 ) 熱電偶。兩者相比 , K 型有較好的溫度 —熱電勢(shì)的線性度 , 但它不適宜于長(zhǎng)時(shí)間在高溫區(qū)使用 ； S 型有高的精度 , 但溫度 —熱電勢(shì)的線性度較差。 使用熱電偶傳感器應(yīng)注意采取冷端補(bǔ)償。即當(dāng)熱電偶冷端溫度不為 0 ℃ 時(shí) , 熱電偶的輸出電勢(shì)將偏離冷端溫度為0 ℃ 時(shí)的數(shù)值 , 為了提高測(cè)溫精度 , 需要采取冷端補(bǔ)償措施 ，如圖 22所示 。 本設(shè)計(jì)采用 K型熱電偶 ——鎳絡(luò) 鎳硅，其特點(diǎn)是使用溫度范圍寬 ,線性度較好 , 熱電勢(shì)與溫度關(guān)系近似線性 ,熱電勢(shì)較大 ,靈敏度較高 ,穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好 ,抗氧化性強(qiáng) ,價(jià)格便宜，短期使用溫度為 1300℃ , 長(zhǎng)期使用溫度為 1000℃ ，測(cè)溫范圍為270～ +1327℃ [10， 11]。 測(cè)量原理及電路圖 由圖 23 可知 ,設(shè) S S St、 S3分別為 U0U0 Et、 +U0 U03 的采樣值 ,K1(t)為采樣 U01時(shí) ,IC IC IC U3和 AD574 組成的放大轉(zhuǎn)換通道的等效轉(zhuǎn)換系數(shù) ,K2(t)為采 樣 U0 Et、 +U0U03時(shí) ,IC IC IC U3和 AD574 組成的放大轉(zhuǎn)換通道的等效轉(zhuǎn)換系數(shù)。設(shè)熱電偶冷端溫度為0℃ ,熱電偶的熱電勢(shì)為 Et。當(dāng)多路模擬開關(guān) U1和 U2的 IN0 導(dǎo)通 ,U3通道 IN0 導(dǎo)通時(shí) ， 有 : 01 1U I R?? (1) 100001000020200300004000050000600000 270 0 270 540 810 1080 13501020304050600 100 ～ 1372 ℃的擬合曲線熱電偶特性相鄰溫度點(diǎn)差值曲線溫度 / ℃熱電勢(shì) （ 礦 ）圖 2 2 K 分度熱電偶特性圖AD 59069101116378131415INHCBAVDDVEEVSSCOM30 V+5VEtR 1CD40516 9 10 111637813141512VDDVEEI NH C B ACO M+ 5 VCD 4051VSSR 2R 3R 4R 5OU TP 1 . 1P 1 . 2P 1 . 0P 1 . 3圖 2 3 測(cè)量原理圖 第 12 頁 共 47頁 1 1 0 1 1( ) ( )tS K t U K t I R? ? ? ? ? (2) 在使用環(huán)境溫度 050℃ 內(nèi) ,AD590M 輸 出電流的最大值為 ,AD574采用 10 V輸入方式 ,電路中 K1(t)=10 V/(1 kΩ)=,可見由 IC IC IC U3和 AD574 組成的放大轉(zhuǎn)換通道的等效轉(zhuǎn)換系數(shù)倍數(shù)不高 ,且 IC IC2采用斬波穩(wěn)零型運(yùn)放 ICL7650,IC3采用OP07,因此可以獲得穩(wěn)定的性能 ,忽略 K1(t)溫度漂移等因素的影響。由此可得 : ? ?111 1 1 1SSI K t R K R???? (3) 由此得到電流 I 和冷端 溫度 t0 的準(zhǔn)確值。當(dāng)多路模擬開關(guān) U1 和 U2 的 IN1 導(dǎo)通 ,U3 的 IN1導(dǎo)通時(shí) ,有 : 120 2 211SRU I R KR?? ? ? ? ? ? ? ?2 1 22 2 0 2 11K t S RS K t U KR??? ? ? ? U02是標(biāo)準(zhǔn)毫伏電壓信號(hào) ,用于對(duì)第二路放大器和采樣通路進(jìn)行校準(zhǔn) ,由上式可得 : ? ? 2 1 12 12S K RKt SR??? ? (4) 對(duì)于 Et,當(dāng)多路模擬開關(guān) U1和 U2的 IN2 導(dǎo)通 ,U3的 IN1 導(dǎo)通時(shí) ,有 : ? ? ? ?2 03ttS K t E U? ? ? 所以 : ? ? 1203 2 2 1 1ttt S S S REU K t S K R??? ? ? ?? 由式 (2)可得 : 1 1 2 2032 1 1 2ttt S K I R R S RE U IS K R S? ? ? ? ?? ? ??? (5) 用同樣的方法可以求出 U03的值為 : 32032SRUIS?? (6) 由式 (5)~(6)即可得到冷端溫度為 0℃ 時(shí)的熱電勢(shì) ,即 : ? ?322 3 212032 2 2 2ttt S S RS R S RSRE I U I I IS S S S???? ?? ? ? ? ? (7) 如果冷端溫度不是 0℃ ,可由式 (3)求得冷端溫度值 ,查分度表得到對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì) Et0,加到由式 (7)求出的熱電勢(shì)值上 ,再查分度表得到溫度值即可。因?yàn)椴捎昧俗孕?zhǔn)的方法 ,得到了裝置計(jì)算熱電勢(shì) Et 的表達(dá)式 (7),由式 (7)可知 ,熱電勢(shì)的測(cè)量值與 AD590M 的輸出電流 I、標(biāo)準(zhǔn)電阻 R熱電勢(shì)的采樣值 St、標(biāo)準(zhǔn)毫伏信號(hào)的采樣值 S2和 U03的采樣值 S3有關(guān) ,大大減 第 13 頁 共 47頁 小了放大器的零點(diǎn)漂移和非線性的影響 ,因此 ,提高了測(cè)量精度。其精度主要取決于 AD 的分辨率 [12]。 在電路中 ,R3=,R5=, 當(dāng) 環(huán) 境 溫 度為 50℃ 時(shí) ,I=, 此時(shí)U03=,Et(1 372℃ ,50℃ )=52 845μV,則 Et(1372℃ ,50℃ ) +U03=60 ,由此可得K2(t)=10 V/60 =。當(dāng)環(huán)境溫度為 50℃ 時(shí)