熱電偶傳感器測溫特性驗證

摘要：本文主要根據熱電偶傳感器的基本原理進(jìn)行了測溫特性的驗證將兩種不同材料的導體或半導體A和B連接起來(lái)使其形成一個(gè)閉合回路,利用導體或半導體A和B的測溫性能參數隨溫度變化而變化的特性并通過(guò)測量導體或半導體A和B測溫性能參數的變化,從而得到被測溫度的大小。
1.引言
       隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展,科學(xué)的進(jìn)步，人們獲得了越來(lái)越多的信息，同時(shí)也越來(lái)越簡(jiǎn)化信息的獲取過(guò)程。傳感器的發(fā)明就是人類(lèi)歷史上的一一個(gè)重要發(fā)明，隨著(zhù)信息的增多,對傳感器的要求也隨著(zhù)提高。在要求傳感器性能和可靠性提高的同時(shí)，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構,功能及其應用前景。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,溫度是需要測量和控制的重要參數。在溫度測量中，熱電偶的應用是非常廣泛的，熱電偶具有結構簡(jiǎn)單、制造方便、測量范圍廣、精度高和便于遠傳等優(yōu)點(diǎn)。另外,因為熱電偶作為一-種有源傳感器,測量時(shí)不需外加電源,使用時(shí)十分方便,所以常被用作測量?jì)x器或管道內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體組成一個(gè)閉合回路，當兩端存在溫度差時(shí),回路中就會(huì )產(chǎn)生電流并通過(guò)導體，此時(shí)兩端之間就存在一種電動(dòng)勢,這種電動(dòng)勢稱(chēng)作為熱電動(dòng)勢,這就是所謂的塞貝克效應。將兩種不同成份的均質(zhì)導體當做熱電極,溫度較高的一-端導體是工作端,溫度較低的另一端導體是自由端(冷端)。根據熱電動(dòng)勢與溫度的函數關(guān)系，可以制成不同熱電偶的分度表;因為分度表是自由端的溫度在0℃時(shí)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,并因其是堅固金屬所以堅固耐用。熱電偶的響應快甚至可以在0.001亳秒內產(chǎn)生反應。熱電偶本身不需外接電源所以安全性高。人無(wú)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化為電信號,這個(gè)過(guò)程需要信號的復雜調整,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(huì )隨著(zhù)時(shí)間產(chǎn)生電解反應而發(fā)生腐蝕。
        當有兩種不同的導體A和B組成一一個(gè)回路時(shí)，將其兩端連接。當兩結點(diǎn)處的溫度不同，一端導體的溫度為T(mén),稱(chēng)為工作端或熱端,而另--端導體的溫度為T(mén)O，稱(chēng)為自由端或冷端，此時(shí)回路中將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)熱電動(dòng)勢,該電動(dòng)勢的方向和大小只與導體的材料及兩接點(diǎn)處的溫度有關(guān)。這種現象稱(chēng)為“熱電效應”，兩種導體組成的回路稱(chēng)為“熱電偶”,這兩種導體稱(chēng)為“熱電極”,產(chǎn)生的電動(dòng)勢則稱(chēng)為“熱電動(dòng)勢”。如圖1.

       熱電動(dòng)勢是由兩部分的電動(dòng)勢組成,-部分是由于兩種導體的接觸所產(chǎn)生的電動(dòng)勢,另一部分是單一導體的溫差電動(dòng)勢。接觸電動(dòng)勢與溫差電動(dòng)勢相結合就是熱電偶回路電動(dòng)勢。
熱電偶回路電動(dòng)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(shí),熱電偶電勢輸出;EAB(t,tn)為冷端溫度為tn'C時(shí)，熱電偶電勢輸出;.EAB(n,0)為冷端補償電勢。
但需要注意的是,熱電偶回路中熱電動(dòng)勢的大小,只與組成熱電偶的導體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān),而與熱電偶的形狀尺寸無(wú)關(guān)。
3.熱電偶冷端補償方案
       熱電偶測:量溫度時(shí)要求其冷端(測量端為熱端,通過(guò)引線(xiàn)與測量電路連接的端稱(chēng)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(huì )呈-定的比例關(guān)系。若測量時(shí)，冷端的外界環(huán)境溫度變化,將會(huì )嚴重影響測量的正確性。在冷端采取一定措施來(lái)補償由于冷端外界溫度變化而造成的誤差影響稱(chēng)為熱電偶的冷端補償。為了消除這種誤差,必須進(jìn)行冷端溫度補償?？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(如冰水混合物),使冷端溫度一-直處于0℃的狀態(tài)下。
2.可以利用補償導線(xiàn)，補償導線(xiàn)是--種特種的導線(xiàn),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(lái)保證儀表對介質(zhì)溫度測量。
3、用計算修正法來(lái)補償冷端溫度變化的對數據的影響,但這種方法只適用于實(shí)驗室或臨時(shí)性測溫,而對于現場(chǎng)的連續測量并不實(shí)用的。
4.設計方案及其特點(diǎn)
本設計是基于STC89C52單片機的硬件設計。對于系統可分為下面兩種不同的設計方案，如圖2.

方案一:系統由K型熱電偶和集成溫度傳感器AD590來(lái)測量熱端和冷端溫度,采用USB采集卡實(shí)現信號的采集并傳輸給計算機。根據熱電偶中間溫度定律,編制軟件采用查表和曲線(xiàn)相互擬合進(jìn)行非線(xiàn)性校正及冷端補償。
方案二：控制電路是以單片機為中心控制其他部分完成各自的功能。其中模/數轉換部分采用16位精度高的AD轉化器AD7705,提高其抗干擾能力和精度。在電路設計上,數模轉換部分采用精度高DA轉換器AD421,該轉換器采用了光隔離,控制AD421完成其功能,AD421為16位精度高數/模轉按器，它將來(lái)自單片機線(xiàn)性化處理后的數據進(jìn)行DA轉化,產(chǎn)生電流,送控制中心。
5.調整參數設計
       本系統采用誤差修正公式來(lái)清除系的誤差,從輸出端引反饋量到輸人端來(lái)改善系統的穩定。測量值再加上冷端0℃時(shí)的熱電勢,現可用計算器來(lái)實(shí)現自動(dòng)補償計算。在無(wú)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)
但應該注意的是,由于熱電偶溫度電勢曲線(xiàn)的非線(xiàn)性，上面所說(shuō)的相加是電勢的相加，而不是簡(jiǎn)單的溫度相加。
6.結語(yǔ)
       本文主要介紹了熱電偶溫度傳感器的測溫系統。本文對系統原理進(jìn)行了概述。最后對系統進(jìn)行了測試實(shí)驗，完成了設計要求。