【正文】 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 ,查分度表得到對應(yīng)的熱電勢 Et0,加到由式 (7)求出的熱電勢值上 ,再查分度表得到溫度值即可。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。設(shè)熱電偶冷端溫度為0℃ ,熱電偶的熱電勢為 Et。 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 , 熱電勢與溫度關(guān)系近似線性 ,熱電勢較大 ,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℃ , 長期使用溫度為 1000℃ ，測溫范圍為270～ +1327℃ [10， 11]。 使用熱電偶傳感器應(yīng)注意采取冷端補(bǔ)償。目前多選用 K 型 (鎳鉻 —鎳硅 )或 S 型 (鉑銠 —鉑 ) 熱電偶。熱電偶傳感器具有價(jià)廉、精度高、構(gòu)造簡單、測量范圍寬 (通常從 50～ + 1600 ℃ )及反應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)。 AT89C51的引腳 與 8031相同， 不需要擴(kuò)展即能滿足要求 [7， 8]。 利用 89C51串行輸出工作方式，使 89C51的利用率大大提高，外部電路得以簡化。 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) 。它普遍適用于各種熱電偶的整個(gè)正信號溫區(qū) 。 （ 2）折線近似法。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。 （ 1）單反饋法。實(shí)際上，熱電偶溫度信號非性是比較大的，溫度從 0℃ 升高到 1800℃ ，熱電勢從 0mv變化到 ，每 100℃ 熱電勢增加最大值約為最小值的 8倍。 (7)軟件補(bǔ)償法 在智能溫度測控系統(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精度大大提高 , 而且 ,對于不同分度號的熱電偶 , 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 。該補(bǔ)償法方法簡單、精度高、線性好。這種方法結(jié)構(gòu)簡單、使用方便 , 補(bǔ)償精度可達(dá) ℃ , 補(bǔ)償范圍為 25 ℃ ～ 80 ℃ 。這種方法結(jié)構(gòu)簡單、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 , 還存在與分度號匹配問題 , 補(bǔ)償電橋與熱電偶的分度號必須是一一對應(yīng)的 , 通用性差。 (4) 電橋補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償法是現(xiàn)場最常用的冷端補(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 的變化對輸出電勢的影響 。通過估計(jì)或?qū)崪y冷端溫度 T0 , 從分度表中查得 EAB ( T0 , 0) , 將此值與測量值 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 。該方法 原理簡單 , 測量誤差小 , 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。必須指出，補(bǔ)償導(dǎo)線本身不能消除新冷端溫度變化對回路熱電勢的影響，應(yīng)使新冷端溫度恒定。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。 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。如果把熱電極做得很長，使冷端延伸到溫度恒定的地方，一方面對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。但在工業(yè)上使用時(shí)，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量精度，對熱電偶冷端溫度采用一些不同的處理方法。 熱電偶冷端溫度的處理方法 [4， 5] 各種熱電偶的分度表均是在參考端即冷端溫度為 0 ℃ 的條件下，得到的熱電勢 與溫度之間的關(guān)系。 :與單片機(jī)系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口 ,而作為模擬小信號測溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個(gè)要求。所謂查表法則是把熱電偶的分度表存放在內(nèi)存中 , 然后用程序進(jìn)行查表。常采用軟件查表法或計(jì)算法。但是如將它應(yīng)用在基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)時(shí) ,卻存在著以下幾方面的問題 [2]。接觸電勢 第 8 頁 共 47頁 是兩種電子密度不同的導(dǎo)體相互接觸時(shí)產(chǎn)生的一種熱電勢。產(chǎn)生的熱電勢由溫差電勢和接觸電勢 兩部分組成。 熱 電偶的測溫原理是基于塞貝克熱電效應(yīng)。目前已在連鑄中間包、連續(xù)煉銅爐內(nèi)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。目前，日本等國正在開展消耗型光纖輻射溫度計(jì)的研究，這一新動(dòng)向已引起同行專家的注目。已有國產(chǎn)實(shí)體型抗氧化鎢錸熱電偶，經(jīng)冶煉廠多年現(xiàn)場使用 ，證明具有成本低、性能穩(wěn)定、使用壽命長等特點(diǎn)。尤其是抗氧化鎢錸熱電偶，每年至少有幾千支用于工業(yè)生產(chǎn)，替代價(jià)格昂貴的錸銠熱電偶。國產(chǎn)鎢錸熱電偶在實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一分度的基礎(chǔ)上， 1988年公布了國家專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) (ZBN05 00388)給出鎢錸 3/2鎢錸 5/26的分度表與允差，均與美國標(biāo)準(zhǔn)相同，而且產(chǎn)品質(zhì)量經(jīng)國外儀表廠檢定，其精度已達(dá)到美國 (HOSKIN公司 )同類產(chǎn)品水平。 (3)抗氧化鎢錸熱電偶 鎢錸熱電偶是 50年代發(fā)展起來的最杰出的難熔金屬熱電偶，已成功地用于航空、航天、核能等尖端科技領(lǐng)域以及工業(yè)生產(chǎn) 部門。因?yàn)楦鼡Q N型熱電偶的同時(shí)，必須更換顯示儀表與補(bǔ)償導(dǎo)線；需要一定的設(shè)備投資。國內(nèi)已生產(chǎn)出各種規(guī)格的 N型熱電偶，用于工業(yè)生產(chǎn)，取得一定效果。由此可見整體設(shè)計(jì)的必要性。如果忽視了外套管材質(zhì)的影響，將會(huì)引起較大誤差。 (1)鎧裝熱電偶的整體設(shè)計(jì) 整體設(shè)計(jì)的鎧裝熱電偶，應(yīng)預(yù)先考慮熱電偶材料與保護(hù)管的化學(xué)與物理相容性，以求達(dá)到良好的穩(wěn)定性。將測得的信號毫伏值轉(zhuǎn)換成 4～ 20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，送到控制室，不僅節(jié)約了補(bǔ)償導(dǎo)線的費(fèi)用，而且還可 克服遠(yuǎn)距離傳送的不可靠性。高速響應(yīng)的薄膜熱電阻的響應(yīng)時(shí)間只有 ?，F(xiàn)有薄膜熱電偶的使用溫度達(dá) 11OO℃ ，用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及汽輪機(jī)葉輪的表面溫度測量。用濺射技術(shù)等制 第 7 頁 共 47頁 作的薄膜式鉑鍺熱電偶 (S或 R型 )具有體積小、重量輕、牢固等特電，適于溫度變化迅速、環(huán)境惡劣場合的溫度測量。 (3)薄膜化 薄膜熱電偶、熱電阻。 (2)小型化 小型化與鎧裝化是熱電偶與熱電阻的發(fā)展趨勢。由于測溫元件采用國際標(biāo)準(zhǔn)，使我國的溫度傳感器與國際同類產(chǎn)品接軌。 (1)標(biāo)準(zhǔn)化 近年來，熱電偶、熱電阻的標(biāo)準(zhǔn)化引人注目。最近，出現(xiàn)兩種溫度計(jì)聯(lián)合使用，獲得多功能協(xié)同動(dòng)作的良好效果，值得注意。新型檢測元件與傳感器有：半導(dǎo)體集成電路溫度計(jì)、石英溫度計(jì)、核磁共振溫度計(jì)、超聲溫度計(jì)、熱噪聲溫度計(jì)、激光溫度計(jì)、微波溫度計(jì)等多種?？梢灶A(yù)見，輻射溫度計(jì)與光纖溫度計(jì)將會(huì)有更大的發(fā)展。碳化硅的發(fā)射率較高，然而，剛玉管的發(fā)射率較低，這點(diǎn)往往被人們所忽視。因此使用溫度受到黑體空腔材料的限制。由于黑體空腔靶面近似于黑體輻射，因此，可測得真實(shí)溫度。存在的問題是寶石加工困難，成本高，難以實(shí)用化。如采用藍(lán)寶石的黑體傳感器，即在光纖的前端連接藍(lán)寶石棒、并在其表面涂鉑，然后在其表面涂 A1203保護(hù)膜，形成黑體空腔，用于加熱爐或隧道窯測溫。加拿大采用紫外激光激勵(lì)的熒光余輝時(shí)問技術(shù)，在線測量大型發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的表面溫度。已成功地用于電力系統(tǒng)等強(qiáng)電磁干擾的苛刻環(huán)境中測溫。美國 第 6 頁 共 47頁 鋁公司等研究表明，即使只有兩個(gè)波長，用這種補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ脖绕胀ǖ谋壬珳囟扔?jì)能較好地減少發(fā)射率的影響，尤其是發(fā)射率變化的影響。反過米也可測量發(fā)射率。目前，主要的研究開發(fā)工作如下 : (1)消除發(fā)射 率的影響及多渡長溫度計(jì) 對對象真實(shí)溫度的測量及材料發(fā)射率測量的要求，導(dǎo)致了多波長溫度計(jì)的發(fā)展。 “工藝溫度 ”或 “控制溫度 ”的概念。 非接觸式溫度傳感器 近幾年輻射測溫技術(shù)發(fā)展很快，其原因是： ，性能穩(wěn)定 可靠，測溫范圍廣。 溫度傳感器的分類和發(fā)展 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一 ,任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān) ,因 溫度的測量和控制，對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源起著非常重要的作用。隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng) 用。 單片機(jī)的發(fā)展及在溫度測量中的應(yīng)用 溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù) 之一，特別是在冶金 、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。2℃ in 100℃ ～ 1372℃ without considering the error of thermocouples. In addition, the device implements the temperature measuring of full range of reference table. Keywords: thermocouples, temperature measurement, single chip processor, digital display, serial output, nonlinear process, lookup reference table 第 5 頁 共 47頁 1 概述 在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的溫度測量中熱電偶是使用最廣發(fā)的一種測溫儀表，溫度范圍大 、性能穩(wěn)定、安裝使用方便使熱電偶的主要特點(diǎn)， 但熱電偶輸出與溫度之間的非線性特性給精確測量帶來 諸多不便，雖然采用了一些線性化方法，如折線法分段線性化修正熱 電偶 的非線性，大測量誤差仍然可觀。 關(guān)鍵詞 ： 熱電偶 ；溫度測量；單片機(jī)；數(shù)碼顯示；串行輸出；非線性；查 分度 表 第 4 頁 共 47頁 ABSTRACT A temperature transmitter is introduced for linear temperature measurement by using thermocouples. It consists of AD590M, standard resistor, amplifier, AD converter, data sampling and processing system, serial output port, digital display, DA converter, output and so is used as current source in addition to cold millivoltage signal provided from a standard resister. Then the system samples the value of thermoelectric power of thermocouples. The highly accurate value of thermoelectric power is obtained via puting. Further, the temperature is obtained by looking into the reference table with the value of thermoelectric power. Therefore, high linearity is implemented。2 ℃ 。 第 1 頁 共 47頁 目錄 摘要 ................................................................................................................................................. 3 ABSTRACT .................................................................................................................................... 4 1 概述 ............................................................................................................................................. 5 單片機(jī)的發(fā)展及在溫度測量中的應(yīng)用 .............................................................................. 5 溫度傳感器的分類和發(fā)展 .................................................................................................. 5 非接觸式溫度傳感器 ................................................................