熱電偶傳感器測溫特性驗(yàn)證

摘要：本文主要根據(jù)熱電偶傳感器的基本原理進(jìn)行了測溫特性的驗(yàn)證將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B連接起來使其形成一個閉合回路,利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B的測溫性能參數(shù)隨溫度變化而變化的特性并通過測量導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B測溫性能參數(shù)的變化,從而得到被測溫度的大小,。
1.引言
       隨著社會的發(fā)展,科學(xué)的進(jìn)步，人們獲得了越來越多的信息,，同時也越來越簡化信息的獲取過程,。傳感器的發(fā)明就是人類歷史上的一一個重要發(fā)明，隨著信息的增多,對傳感器的要求也隨著提高,。在要求傳感器性能和可靠性提高的同時,，也在不斷完善對各種信號的檢測。本文首先介紹了熱電偶傳感器的結(jié)構(gòu),功能及其應(yīng)用前景,。在工業(yè)生產(chǎn)過程中,溫度是需要測量和控制的重要參數(shù),。在溫度測量中，熱電偶的應(yīng)用是非常廣泛的,，熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單,、制造方便、測量范圍廣,、精度高和便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn),。另外,因?yàn)闊犭娕甲鳛橐?種有源傳感器,測量時不需外加電源,使用時十分方便,所以常被用作測量儀器或管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。
2.熱電偶傳感器的介紹
       熱電偶測溫的基本原理是將兩種不同成份的導(dǎo)體組成一個閉合回路,，當(dāng)兩端存在溫度差時,回路中就會產(chǎn)生電流并通過導(dǎo)體,，此時兩端之間就存在一種電動勢,這種電動勢稱作為熱電動勢,這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。將兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體當(dāng)做熱電極,溫度較高的一-端導(dǎo)體是工作端,溫度較低的另一端導(dǎo)體是自由端(冷端),。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系,，可以制成不同熱電偶的分度表;因?yàn)榉侄缺硎亲杂啥说臏囟仍?℃時的條件下所獲得的,所以需要注意的是不同的熱電偶具有不同的分度表。
       熱電偶是-種優(yōu)點(diǎn)很多的元件,。它所能接受的溫度范圍非常廣泛,并因其是堅(jiān)固金屬所以堅(jiān)固耐用,。熱電偶的響應(yīng)快甚至可以在0.001亳秒內(nèi)產(chǎn)生反應(yīng),。熱電偶本身不需外接電源所以安全性高。人無完人,熱電偶也是,它同樣有缺點(diǎn),，熱電偶需要將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號,這個過程需要信號的復(fù)雜調(diào)整,熱電偶還容易受到外界的影響,，所以熱電偶的精度也較低,熱電偶的兩端為金屬,會隨著時間產(chǎn)生電解反應(yīng)而發(fā)生腐蝕。
        當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體A和B組成一一個回路時,，將其兩端連接,。當(dāng)兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端導(dǎo)體的溫度為T,稱為工作端或熱端,而另--端導(dǎo)體的溫度為TO,，稱為自由端或冷端，此時回路中將會產(chǎn)生一個熱電動勢,該電動勢的方向和大小只與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)處的溫度有關(guān),。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”,，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”,這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”,產(chǎn)生的電動勢則稱為“熱電動勢”。如圖1.

       熱電動勢是由兩部分的電動勢組成,-部分是由于兩種導(dǎo)體的接觸所產(chǎn)生的電動勢,另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動勢,。接觸電動勢與溫差電動勢相結(jié)合就是熱電偶回路電動勢,。
熱電偶回路電動勢:EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)+EA(t,t0)-EB(+,t0)
t為實(shí)測溫度;tn為冷端溫度;EAB(t,0)為冷端溫度為0C時,熱電偶電勢輸出;EAB(t,tn)為冷端溫度為tn'C時，熱電偶電勢輸出;.EAB(n,0)為冷端補(bǔ)償電勢,。
但需要注意的是,熱電偶回路中熱電動勢的大小,只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān),而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān),。
3.熱電偶冷端補(bǔ)償方案
       熱電偶測:量溫度時要求其冷端(測量端為熱端,通過引線與測量電路連接的端稱為冷端)的溫度保持不變,熱電偶的熱電勢大小與測量溫度將會呈-定的比例關(guān)系。若測量時,，冷端的外界環(huán)境溫度變化,將會嚴(yán)重影響測量的正確性,。在冷端采取一定措施來補(bǔ)償由于冷端外界溫度變化而造成的誤差影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償。為了消除這種誤差,必須進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償,?？梢圆捎靡韵碌膸追N方法:
1、將熱電偶的冷端置于溫度為0℃的恒溫容器內(nèi)(如冰水混合物),使冷端溫度一-直處于0℃的狀態(tài)下,。
2.可以利用補(bǔ)償導(dǎo)線,，補(bǔ)償導(dǎo)線是--種特種的導(dǎo)線,用于熱電偶和二次儀表之間的信號傳輸,并能夠消除熱電偶冷端溫度的變化引起的測量誤差，用來保證儀表對介質(zhì)溫度測量,。
3,、用計(jì)算修正法來補(bǔ)償冷端溫度變化的對數(shù)據(jù)的影響,但這種方法只適用于實(shí)驗(yàn)室或臨時性測溫,而對于現(xiàn)場的連續(xù)測量并不實(shí)用的。
4.設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)
本設(shè)計(jì)是基于STC89C52單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì),。對于系統(tǒng)可分為下面兩種不同的設(shè)計(jì)方案,，如圖2.

方案一:系統(tǒng)由K型熱電偶和集成溫度傳感器AD590來測量熱端和冷端溫度,采用USB采集卡實(shí)現(xiàn)信號的采集并傳輸給計(jì)算機(jī)。根據(jù)熱電偶中間溫度定律,編制軟件采用查表和曲線相互擬合進(jìn)行非線性校正及冷端補(bǔ)償,。
方案二：控制電路是以單片機(jī)為中心控制其他部分完成各自的功能,。其中模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用16位精度高的AD轉(zhuǎn)化器AD7705,提高其抗干擾能力和精度。在電路設(shè)計(jì)上,數(shù)模轉(zhuǎn)換部分采用精度高DA轉(zhuǎn)換器AD421,該轉(zhuǎn)換器采用了光隔離,控制AD421完成其功能,AD421為16位精度高數(shù)/模轉(zhuǎn)按器,，它將來自單片機(jī)線性化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)化,產(chǎn)生電流,送控制中心,。
5.調(diào)整參數(shù)設(shè)計(jì)
       本系統(tǒng)采用誤差修正公式來清除系的誤差,從輸出端引反饋量到輸人端來改善系統(tǒng)的穩(wěn)定,。測量值再加上冷端0℃時的熱電勢,現(xiàn)可用計(jì)算器來實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償計(jì)算。在無誤差的理想情況下,，有于是存在關(guān)系
y=Kx
在有誤差的情況下,，則有
y=K(x+E+y)
但應(yīng)該注意的是,由于熱電偶溫度電勢曲線的非線性，上面所說的相加是電勢的相加,，而不是簡單的溫度相加,。
6.結(jié)語
       本文主要介紹了熱電偶溫度傳感器的測溫系統(tǒng)。本文對系統(tǒng)原理進(jìn)行了概述,。最后對系統(tǒng)進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn),，完成了設(shè)計(jì)要求。