電子信息工程論文多功能溫度測量儀

1、安徽三聯(lián)學(xué)院學(xué)年論文 多功能溫度測量儀 on multifunctional temperature measure instrument專 業(yè)： 電子信息工程姓 名： 李 阿 芳 學(xué) 號： 1002044 指導(dǎo)老師： 張春光 歐書琴 2013年2月23日 信息與通信技術(shù)系摘要：本文主要介紹了溫度的自動測量，包括溫度傳感器、單片機接口及其應(yīng)用軟件的設(shè)計，大體分為以下幾大部分：介紹了國內(nèi)外溫度檢測技術(shù)和特種測溫一鋼水溫度檢測的發(fā)展現(xiàn)狀，并且分析了溫度檢測技術(shù)的未來發(fā)展方向；根據(jù)實際使用要求設(shè)計了相應(yīng)的單片機硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理、溫度值的在線顯示以及時鐘電路的時間顯示；簡略

2、介紹了該儀表的軟件部分；對該溫度儀表的未來發(fā)展進行了展望。多功能溫度測量儀是以8051單片機系統(tǒng)和溫度檢測元件一ad590相結(jié)合的溫度測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型合理，測量方法容易實現(xiàn)。實際儀器采用抗干擾、低零漂、低溫漂的電子元件，性能穩(wěn)定。該測量儀總體特點是使用簡便、實用、使用對象廣、并且實現(xiàn)了自動化。關(guān)鍵詞：溫度測量 多功能 單片機 on multifunctional temperature measure instrumentabstract：the thesis introduces automatical measurement of temperature，including te

3、mperature sensor，i/ o of single-chip microcomputer and application software，it can be divided into some parts：it introduces the development of temperature measurement and temperature measuring一measurement of molten steels temperature，as the development direction of temperature measurement in the fut

4、ure；according to the practical demands, i design corresponding hardware system；the system can realize data acquisition，showing of temperature on-line.i discuss the future of the instrument.the multifunctional temperature measure instrument introduced by the paper is the system of 8051 single-chip mi

5、crocomputer and conventional component一ad590. the mathematic model is appropriate，and measurement method is easy to be . the electronic components used are anti一jamming，less zero-drift and less temperature-drift. the instrument is convenient and ，it is steady，reliable and so fit to use. at the same

6、time, it has larger scope of measurement and it can be used in many kinds of object measured. it has intellectualized the process.keywords: temperature measurement, -purpose, single-chip microcomputer 目 錄 第一章 緒 論11.1課題研究背景11.2課程設(shè)計的內(nèi)容21.3課題設(shè)計的目的和意義2第二章熱電偶測溫的基本原理22.1方案的提出22.2熱電偶測溫的基本原理22.3熱電偶閉合回路的總熱電動

7、勢32.4數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計42.4.1熱電偶的種類42.4.2熱電偶類型的選擇52.4.3補償導(dǎo)線的原理72.4.4熱電偶的冷端補償92.4.5絕緣物與保護管的選擇11第三章 溫度測量儀設(shè)計方案133.1 系統(tǒng)總體原理框圖133.2 系統(tǒng)中元器件的選擇143.2.1 開關(guān)的選用143.2.2 i/o口的設(shè)計153.3 鍵盤、顯示器的設(shè)計153.3.1鍵盤153.3.2顯示器163.3.3 led的工作原理173.3.4 8279鍵盤顯示接口芯片17第四章誤差分析184.1熱電偶帶來的測量誤差184.1.1熱電偶安裝引起的測量誤差184.1.2熱電偶固有特性引起的誤差194.1.3檢定過程中引

8、起的誤差204.2單片機系統(tǒng)帶來的誤差21致謝22參考文獻23 第一章 緒 論1.1課題研究背景溫度測量是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分,在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等方面起著關(guān)鍵的作用。因此,能夠確?？焖?、準確地測量溫度的技術(shù)及其裝置普遍受到各國的重視。近年來,利用多功能數(shù)字式溫度傳感器以實現(xiàn)溫度信息的在線檢測已成為溫度檢測技術(shù)的一種發(fā)展趨勢。本文介紹的溫度檢測系統(tǒng),以多功能數(shù)字式溫度傳感器與pic 微處理器有機結(jié)合,構(gòu)成了一種新型多功能溫度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有性能可靠、測溫準確、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等特點,并兼具線路簡捷、使用靈活、抗干擾性好、可移植性強等優(yōu)點,可在工程實際中得到廣泛應(yīng)用。

9、1.2課程設(shè)計的內(nèi)容本設(shè)計將在以下幾個方面對溫度測量系統(tǒng)進行研究和論證。（1）溫度測量元件的選擇。溫度檢測有許多方法，但考慮到實際應(yīng)用于高溫測量，同時要將溫度信號轉(zhuǎn)變成電信號來處理，因此采用熱電偶來作為檢測系統(tǒng)的一次儀表。 圖2-1是ad590用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因為流過ad590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當電阻r1和電位器r2的電阻之和為1k時，輸出電壓隨溫度的變化為1mv/k。但由于ad590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對電路進行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把ad590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器r2，使v0=273.2mv?；蛟谑覝叵?25)條件下調(diào)整電位器,使v0=273.

10、2+25=298.2（mv）。但這樣調(diào)整只可保證在0或25附近有較高精度。 ad590把被測溫度轉(zhuǎn)換為電流再通過放大器和a/d轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)字量送給單片機進 行溫度控制。圖2-1 ad590電路圖：1.3課題設(shè)計的目的和意義本系統(tǒng)能夠很穩(wěn)定的控制溫度而且穩(wěn)定性很高。只要配上適當?shù)臏囟葌鞲衅?，這個系統(tǒng)便還可以實現(xiàn)很多領(lǐng)域的溫度自動控制。這對于提高系統(tǒng)的利用率，避免重復(fù)設(shè)計有很大的幫助的。在本系統(tǒng)的作用下，可以為工作系統(tǒng)提供一個良好的環(huán)境，使產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量有很大的提高。使得產(chǎn)品的生產(chǎn)成本降低，從而使系統(tǒng)的使用者獲得的利潤提高了。 第2章熱電偶測溫的基本原理2.1方案的提出 溫度檢測有許多方法，但

11、考慮到實際應(yīng)用于高溫測量，同時要將溫度信號轉(zhuǎn)變成電信號來處理，因此采用熱電偶來作為檢測系統(tǒng)的一次儀表。熱電偶結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、價格便宜、準確度高、測溫范圍廣，目前在大量的熱工儀表中，熱電偶作為溫度傳感器，已經(jīng)得到了廣泛的使用。2.2熱電偶測溫的基本原理 熱電偶是熱電溫度計的敏感元件。它的測溫基本原理是基于金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電勢是由三種不同的效應(yīng)引起的，即賽貝克效應(yīng)、拍爾帖( peltier)效應(yīng)和湯姆遜(thomson)效應(yīng)。(1)賽貝克效應(yīng) 1821年由賽貝克發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象。兩種不同的物體a和b連接在一起，構(gòu)成一個閉合回路，當兩個接點1和2的溫度不同時(見圖2-1)，如tt

12、o，在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，此種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。該熱電動勢就是著名的“賽貝克溫差電動勢”，簡稱“熱電動勢”，計為e,。導(dǎo)體a. b稱為熱電極。接點1通常是焊接在一起的，測量時將它置于測溫場所感受被測溫度，故稱為測量端。接點2要求溫度恒定，稱為參考端。熱電偶就是通過測量熱電動勢來實現(xiàn)溫度測量的。 圖2-1賽貝克效應(yīng)示意圖(tto)(2)拍爾帖效應(yīng) 各種導(dǎo)體中都存在著大量的自由電子，不同導(dǎo)體自由電子的密度也不同，當兩種金屬連接在一起時，在結(jié)點處就要發(fā)生電子擴散，電子密度大的金屬的自由電子就要向電子密度小的導(dǎo)體擴散。這時電子密度大的金屬由于失去電子而具有正電位;相反，電子密度小的金屬由于獲得了擴

13、散來的多余電子而帶負電，這種擴散一直到動態(tài)平衡為止。(3)湯姆遜效應(yīng) 對于單一均質(zhì)導(dǎo)體，當兩端溫度不同時，兩端也將有一定大小的電勢。產(chǎn)生的原因是在不同的溫度下，自由電子具有不同的動能，溫度高時動能大，動能大的電子就會向溫度較低的一端跑去，所以在同一導(dǎo)體內(nèi)當兩端溫度不同時，兩端也會產(chǎn)生一定的電位差(湯姆遜電勢)。此現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)(是可逆的)。2.3熱電偶閉合回路的總熱電動勢 熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢實際上是由接觸電勢和溫差電勢所組成。接觸電動勢是由于兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體接觸時產(chǎn)生的電勢，而溫差電勢則是對同一導(dǎo)體當其兩端溫度不同時產(chǎn)生的電勢。在圖2-1所示的閉合回路中，兩個接觸點有兩個接觸電勢n 與

14、n as(to)，又因為tta，在導(dǎo)體a和b中還各有一個溫差電勢。因此閉合回路總電動勢，應(yīng)為接觸電勢與溫差電勢的代數(shù)和，即所以各接點的分熱電勢e等于相應(yīng)的接觸電勢與溫差電勢的代數(shù)和:在總電動勢中，接觸電勢較溫差電勢大得多，因此，它的極性也就取決于接觸電勢的極性。當tto時，e,川與總熱電動勢的方向一致，而e,aa to)與總電動勢方向相反。所以總熱電動勢可表示成如下形式:由此可見，熱電偶回路的總熱電動勢等于各接點分電動勢的代數(shù)和: 對于已選定的熱電偶，當參考端溫度恒定時，e仇)為常數(shù)c，則總電動勢就變成測量端溫度t的單值函數(shù): 上式表明，當to恒定不變時，熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢只隨測量端溫度的

15、變化而變化，即一定的熱電動勢對應(yīng)著一定的溫度。在熱電偶分度表中，參考端溫度均為00c。所以，測量熱電動勢的辦法能夠測溫，這就是熱電偶測溫的基本原理。2.4數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計 溫度作為被測物理量，必須經(jīng)過測溫元件檢測。由于采用的不是現(xiàn)成的測溫儀表，因此首先應(yīng)將溫度轉(zhuǎn)變成單片機可以處理的信號。在此選擇熱電偶來完成溫度向電壓信號的轉(zhuǎn)換。2.4.1熱電偶的種類 熱電偶的分類方法有很多，一般是按熱電偶的材料、用途和結(jié)構(gòu)形式進行分類。1、根據(jù)熱電偶材料分類: (1)廉金屬熱電偶:銅一康銅熱電偶、鐵一康銅熱電偶、鎳鉻一鎳鋁熱電偶、鎳鉻一鎳銅熱電偶; (2)貴金屬熱電偶:鉑鍺系列熱電偶、銥鍺系列熱電偶、鉑銥系

16、列熱電偶、銥釘系列熱電偶; (3）難溶金屬熱電偶:鎢鋅系列熱電偶、鎢鋁系列熱電偶、泥欽系列熱電偶、鎢系列熱電偶; (4)非金屬熱電偶:石墨一炭化妮熱電偶、二硅化鎢一二硅化鑰熱電偶、硼化一炭化錯熱電偶、銥釘系列熱電偶。2、根據(jù)熱電偶的用途分類: (1)專用熱電偶:多點式熱電偶、表面熱電偶、薄膜熱電偶、快速微型熱電偶、防暴熱電偶; (2)普通工業(yè)用熱電偶:直形熱電偶、角形熱電偶、錐形熱電偶。3、根據(jù)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式分類: 專用熱電偶:普通型熱電偶、愷裝熱電偶、密封式熱電偶、高壓固定螺紋式熱電偶。 2.4.2熱電偶類型的選擇 數(shù)據(jù)采集部分由熱電偶來完成。作為測溫的一次儀表，對它的選擇將直接影響檢測精

17、度。熱電偶包括標準化、非標準化以及非金屬熱電偶，由于本溫度檢測系統(tǒng)主要用于金屬液體溫度測量，特別是高溫溶液，因此在選擇熱電偶時熱電偶的使用范圍、使用氣氛尤其重要。 本儀器本著通用性出發(fā)，設(shè)計時考慮到儀器應(yīng)適合多種熱電偶測量，這樣能大大提高儀器使用范圍，用戶可根據(jù)不同的測溫范圍選擇相應(yīng)的熱電偶。 本系統(tǒng)采用4種傳感器，分別是:鎢徠3一鎢徠25熱電偶，鉑鍺30一鉑鍺6 (雙鉑銘)熱電偶，鉑鍺13一鉑熱電偶以及紅外溫度傳感器。各種熱電偶的使用溫度限制如表2-1，用戶可以根據(jù)實際測量溫度范圍選擇合適的熱電偶，以便滿足使用要求。 表2-1熱電偶使用溫度范圍（1）鎢徠3一鎢徠25熱電偶 鎢徠3一鎢徠25熱

18、電偶是非標準化熱電偶，目前由于生產(chǎn)工藝的改進，國產(chǎn)的該種熱電偶的熱電極絲均勻性很好，互換性很強，實現(xiàn)了統(tǒng)一分度，并與國際一致。該熱電偶的特點是:熱電極絲熔點高(3300 0c )蒸汽壓低，極易氧化;在非氧化氣氛中化學(xué)穩(wěn)定性好。熱電動勢大，靈敏度高，價格便宜。鎢徠3一鎢徠25熱電偶的電極絲直徑通常為0.2mm，精度為士1，也可達士0.5%或更高。因此在實際應(yīng)用過程中，可根據(jù)實際要求的精度選擇不同精度的本系列熱電偶。鎢鋅3一鎢徠25熱電偶溫度上限很高，最高使用溫度達到2800 0c，而且穩(wěn)定性好。鎢徠熱電偶極易氧化，適于在惰性或干燥氫氣中使用，或用致密的保護管使之與氧隔絕才能使用。煉鋼過程中的鋼水

19、溫度高達1700左右，為了能夠連續(xù)測量高溫，必須采用能夠耐高溫的熱電偶，鎢鋅熱電偶長期使用的測量溫度上限是2000 0c，短期使用時測量上限可達2800 0c，但在高于2300時，數(shù)據(jù)分散。因此使用最好在2000以下。因此根據(jù)熱電偶的特性以及實際使用和安裝情況，適當選用該種熱電偶進行鋼水溫度檢測。在2000時對應(yīng)的輸出電壓是35.707mv o（2）鉑鍺30一鉑鍺6熱電偶 該熱電偶是一種典型的高溫?zé)犭娕迹侄忍枮閎。它的正極為含鍺30%的鉑鍺合金(bp)，負極為含鍺6%鉑鍺合金(bn)。兩級均為鉑鍺合金，故稱雙鉑鍺熱電偶。該種熱電偶的特點是，在室溫下電動勢極小(25時為2v。 50時為3v，故

20、在測量時可不用補償導(dǎo)線，可忽略參考端溫度變化的影響。它的長期使用溫度為1600 0c，短期使用溫度為18000c。鉑鍺6合金的熔點為1820 0c，限制其使用上限。雙鉑鍺熱電偶的熱電動勢率較小，因此，需配用靈敏度較高的顯示儀表。該熱電偶在最高溫度時的輸出電壓為13.814mv 。（3）鉑鍺13一鉑熱電偶 該熱電偶正極為鉑鍺合金(rp)，負極為純鉑(rn)。同s型熱電偶相比，它的熱電動勢率較大，其他性能幾乎全相同，即準確等級很高，通常用作標準或作為高溫的熱電偶，它的使用溫度范圍廣、均質(zhì)性及互換性好。該熱電偶常用于高溫測量，長期使用溫度為1400 0c，最高使用溫度為1600 0c，對應(yīng)的輸出電壓

21、為18.842mv o（4）補償導(dǎo)線的選擇 在一定溫度范圍內(nèi)，與所用熱電偶的熱電特性相同的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線稱為補償導(dǎo)線。若與所配用的熱電偶正確連接，其作用是將熱電偶的參考端延伸到遠離熱源或環(huán)境溫度較恒定的地方。通過使用補償導(dǎo)線，可以改善熱電偶測溫線路的機械與物理性能，同時降低測量線路的成本。2.4.3補償導(dǎo)線的原理1、由熱電偶測溫原理可知，圖2.2(a)所示的回路的總電動勢為 圖2-2補償導(dǎo)線原理圖式中t一使用補償導(dǎo)線后的溫度。而圖2-2(b)回路的總熱電動勢為如果則 因此，能滿足式(2.7)要求的連接導(dǎo)線，就能起到補償導(dǎo)線的作用。2、補償導(dǎo)線的型號與分類 對標準熱電偶來說，根據(jù)熱電偶補償

22、導(dǎo)線標準(gb 4989-4990-85 )，其型號可分為sc, kc, kx, ex, jx, tx, nx。其中型號頭一個字母與配用熱電偶的分度號相對應(yīng)。字母“x”表示延伸型補償導(dǎo)線。字母“c”表示補償型補償導(dǎo)線。其中延伸型補償導(dǎo)線是指能滿足式(2.1)的條件，又能使式(2.2)成立。即其材質(zhì)與所配用熱電偶的熱電極化學(xué)成分相同。補償型補償導(dǎo)線是指能滿足式(2.7)的條件，不能滿足式(2.8)的條件。即其材質(zhì)與所配用熱電偶的熱電極化學(xué)成分不同，它只能在一定溫度范圍內(nèi)與熱電偶的熱電性能一致。 非標準熱電偶一烏徠系列熱電偶補償導(dǎo)線，目前列于我國專業(yè)標準(zb n 05002-88)中，其型號分為

23、g型和h型。3、補償導(dǎo)線的使用原則 補償導(dǎo)線的選用應(yīng)遵循以下原則： (1)各補償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶匹配使用。 (2)補償導(dǎo)線與熱電偶的溫度不得超過規(guī)定的使用溫度范圍，通常接點溫度在100以下，耐熱用補償導(dǎo)線可達200 0c(對延伸型補償導(dǎo)線不應(yīng)嚴格限制)。 (3)由于補償導(dǎo)線與電極材料并不完全相同(延伸型除外)，所以，連接點處兩接點溫度必須相同，否則會引入誤差。 (4)使用補償導(dǎo)線時，切勿將極性接反。4、使用補償導(dǎo)線后的修正 現(xiàn)舉例說明使用補償導(dǎo)線后，實際的溫度計算。假設(shè)采用k型熱電偶測溫時，電爐的實際溫度t1=1000 0c，儀表的環(huán)境溫度t3=200c，熱電偶參考端溫度t2=500

24、c ,如果熱電偶與儀表之間采用補償導(dǎo)線和銅線連結(jié)，其計算結(jié)果如下:先由k型分度表查得e1=41.269mv, e2=2.022mv, e=0.798mv。當采用補償導(dǎo)線連接時，根據(jù)中間溫度定則，其顯示儀表所指示的熱電動勢應(yīng)為測量端與補償導(dǎo)線自由端熱電動勢之差:當采用銅線連接時，根據(jù)中間金屬定則，實際測出得熱電動勢為:由該例可以看出使用補償導(dǎo)線可以大大提高測量準確性。2.4.4熱電偶的冷端補償1、熱電偶參考端溫度的影響由熱電偶測溫原理可知熱電偶的輸出電壓即，熱電偶因溫度變化產(chǎn)生的熱電動勢是測量端溫度與參考端溫度的函數(shù)差，而不是溫度差的函數(shù)。那么，熱電動勢就變成測量端溫度的單值函數(shù)。我們經(jīng)常使用的

25、分度表及顯示儀表，都是以熱電偶參考端溫度為0為先決條件的。因此，在使用時必須保證這一條件，否則就不能直接應(yīng)用分度表。如果參考端溫度是變化的，引入的測量誤差也是變量。由此可見，參考端溫度的變化直接影響測量的準確度。但在實際測溫時，因熱電偶的長度受到被測介質(zhì)與環(huán)境溫度的影響，不僅其參考端溫度難以保持o0c，而且往往是波動的，無法進行參考端溫度的修正。因此，要把變化很大的參考端溫度所帶來的誤差，通過采取一定措施予以補償。2、熱電偶冷端補償電路的設(shè)計 由上一節(jié)我們知道，在一定溫度范圍內(nèi)，補償導(dǎo)線熱電性能與熱電偶基本一致。它的作用只是把參考端移至離熱源較遠或環(huán)境溫度恒定的地方，但不能消除參考端溫度不為零

26、度的影響，因此必須進行冷端補償。熱電偶冷端(參考端)通常放在室內(nèi)，其溫度為室溫，需要對查表得到的溫度進行冷端補償，具體做法是采用ad590集成溫度傳感器測量室溫。 圖2-3冷端溫度測量放大電路ad590是絕對溫度/電流變換器。其主要技術(shù)指標為: 測量范圍:-55-+150 0c ; 電流輸出(標定系數(shù)):l f/k; 電源電壓:430v; 線性度:在滿量程范圍內(nèi)小于士0. 500c; 重復(fù)性:10. 10c; 輸出阻抗:約為l0m; 珊長期漂移:士0. 1 0c/月; 這種器件以電流作為輸出量，其典型的電流溫度靈敏度是1 u a!k。它是兩端器件，使用非常方便。作為一種高阻電流源，不需要考慮傳

27、輸線上電壓信號損失和噪聲的干擾問題，因此特別適合做遠距離測量或控制應(yīng)用。出于同樣理由，ad590也特別適合用于多點測溫系統(tǒng)，而不必考慮選擇開關(guān)或cmos多路轉(zhuǎn)換開關(guān)所引入的附加電阻造成的誤差。由于采用獨特的電路結(jié)構(gòu)，并利用最新的薄膜電阻激光微調(diào)技術(shù)作最后的標定，具有很高的精度。 當ad590兩端加4-30v電壓時，呈現(xiàn)高阻抗，其輸出溫度與絕對溫度成正比，能夠保證在298.2k (25 0c)時輸出的電流為298.2 。a是一個線性溫度恒流源。冷端溫度測量放大電路如圖2-3所圖中，在ad590后采用一般運放構(gòu)成增益為1的緩沖器(跟隨器)，以提高輸出帶負載能力，其輸出經(jīng)放大27倍后得到0-l0v之

28、間的數(shù)值，然后再經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端。單片機測得冷端溫度加上查表所得溫度即為熱電偶測得的實際溫度值。2.4.5絕緣物與保護管的選擇 在用熱電偶測溫時，除測量端以外的各個部分之間均要求有良好的絕緣，否則熱電偶會因熱電極短路而引入誤差，甚至無法測量。絕緣物的作用是使兩根熱電極絲相互電絕緣，并保持一定的機械強度。熱電偶的絕緣材料很多，大體分為有機和無機絕緣材料兩類。處于高溫端的絕緣物必須采用無機物。絕緣管的規(guī)格有單孔、雙孔和四孔等，在此我們選用單孔，用于單支熱電偶。為了使熱電極不直接與被測介質(zhì)接觸，通常采用保護管。它不僅可以延長熱電偶的使用壽命，還可以起到支撐和固定熱電極、增加其強度的

29、作用。因此熱電偶保護管選擇是否合適，將直接影響熱電偶的使用壽命和測量的準確度。作為熱電偶保護管材料，主要有金屬、非金屬和金屬陶瓷三類。在進行非鋼水溫度測量的情況下，測量環(huán)境相對較好，可以根據(jù)溫度選用相應(yīng)材料的、能滿足要求的保護管以降低成本。常用保護管材料及使用條件如表2-2所示。 在本設(shè)計中，進行鋼水溫度測量時采用金屬陶瓷熱電偶保護管和鋁碳質(zhì)防護管、熱電偶共同組合成分體組合式測溫探頭。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-4所示。其中金屬陶瓷保護管是鋼水連續(xù)測溫的關(guān)鍵部件，它插入鋼水長期連續(xù)工作。工作環(huán)境惡劣，因此要求它耐高溫、抗鋼渣熔融、耐沖刷、抗震性好、測溫靈敏度高。該金屬陶瓷保護管采用mc93g型的金屬陶

30、瓷材料，壁厚3.smm，具有下述良好的使用性能: 表2-2保護管材料分類及使用條件(1)耐高溫、壽命長。能在1500一1650 0c鋼水中長期工作，埋入式使用條件下最高壽命達55h，一般為30-v40h，在從鋼水上面插入條件下使用，其壽命為l0h以上，使用最高溫度達1800 c o(2)測溫靈敏度高。該金屬陶瓷管采用適當比例的導(dǎo)熱性能良好的金屬材料，并摻加適量的ci23和少量的其他添加物均勻混合，在等靜壓機的高壓作用下成型，在1900的高溫下燒制而成。因此所制成的保護管不僅導(dǎo)熱性良好，而且強度高、密度大、耐磨、耐高溫等。管壁很薄，有良好的導(dǎo)熱效果。(3)抗震性能好。反復(fù)從1500 0c 170

31、0的高溫鋼水中取出和插入10次以上不炸裂，特別是由環(huán)境溫度直接插入高溫鋼水里也不發(fā)生裂斷。1-鋁碳質(zhì)防護管2-測溫?zé)犭娕?一金屬陶瓷保護管 圖2-4測溫探頭結(jié)構(gòu)示意圖 第三章 溫度測量儀設(shè)計方案3.1 系統(tǒng)總體原理框圖 圖3-1 整個儀器除感溫元件熱電偶外，主要還由兩級放大電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路(a/d和d/a轉(zhuǎn)換)、單片機、鍵盤顯示電路、時鐘電路、通訊電路等組成。感溫元件熱電偶檢測溫度后，將溫度信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，由于熱電偶的輸出電壓非常小，因此必須經(jīng)過放大后才能進行a/d轉(zhuǎn)換。電壓信號經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號，由單片機進行數(shù)據(jù)處理及進行相應(yīng)的顯示。3.2 系統(tǒng)中元器件的選擇 3.2.1 開

32、關(guān)的選用控制和地址輸入信號可用tti或cmos電平。其主要參數(shù)有: 電阻r典型值為400; 輸入電容ci=7pf; 導(dǎo)通電阻差r=10 ; 平均延遲時間320ns 。ad1674與8013電路圖如圖3-2： 圖3-23.2.2 i/o口的設(shè)計 圖3-3 8013存儲器擴展電路圖3.3 鍵盤、顯示器的設(shè)計在該設(shè)計中采用8279可編程鍵盤、顯示器接口芯片進行鍵盤、顯示器設(shè)計。3.3.1鍵盤鍵盤的面板圖見圖3-4。各功能鍵功能如下: 圖3-4鍵盤面板圖 本儀器通過波段開關(guān)對傳感器類型進行選擇。 時鐘日歷鍵:按下此鍵，當前時間的年份首先顯示出來，如果繼續(xù)按下回車鍵接著顯示月，按下回車，顯示日，重復(fù)操作

33、依次顯示小時、分鐘。如果時間不準，可以調(diào)整時間:當顯示想調(diào)整的時間時，按一下“八”鍵，則時間在調(diào)整時間前基礎(chǔ)上加一，按一下“v鍵，則時間減一。 查詢1鍵:通過輸入時間顯示溫度。按下此鍵后會在屏幕最左邊分別顯示“a“b”，右邊則是所測得的時間內(nèi)的起始、終了時間，然后顯示“1，要求用戶輸入年份，輸入完后，隨即顯示“2，要求用戶輸入月份，顯示“3，需輸入日期，顯示“4，需輸入小時，顯示“5，需輸入分鐘，輸入期間如果有錯誤可以按一下清除鍵將所輸入內(nèi)容刪掉并進行重新輸入 查詢2鍵:通過輸入時間顯示分別顯示一段時間的溫度。和查詢1鍵開始一樣，顯示起始、終了時間。不同的只是需要用戶輸入要查詢的起始、終了時間

34、。 數(shù)字鍵:0 9用于日期輸入時所要選擇的數(shù)字。 回車鍵:在輸入了年月日后，按回車鍵進行確認，如果不按回車鍵，系統(tǒng)繼續(xù)等待輸入。此外，在按下打印鍵后，也需要按確認鍵進行確認。 通信鍵:按下次鍵可以和上位pc進行通信。 運行鍵:按下此鍵后，就開始檢測。 復(fù)位鍵:在鍵盤控制方式下，運行一次，需復(fù)位一次。在微機控制方式下，不需要復(fù)位。第一次是上電復(fù)位，如果在不關(guān)機的情況下儀器再進行第二次、第三次，則需要按復(fù)位鍵。復(fù)位鍵按下之后，系統(tǒng)初始化，led顯示八個“808鍵盤分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤就是各個按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的工作狀態(tài)不會影響其它輸入線上的工作狀態(tài)

35、，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以判斷哪一個鍵被按下。但每個按鍵需占有一根輸入線，在按鍵較多時，輸入口浪費較大。在本設(shè)計中，鍵的數(shù)量較多，因此在此選用矩陣式鍵盤，可以減少所占i/o口的數(shù)量。3.3.2顯示器 單片機系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡稱led(lightemitting diode);液晶顯示器，簡稱lcd(liquid crystal display);熒光管顯示器crt。本設(shè)計中顯示采用的是led顯示器，其價格便宜、配置靈活、體積小、功耗低、與單片機接口方便。在此儀器的設(shè)計中，使用8片led7段顯示塊對時間和溫度進行顯示。由于顯示所需電流比8279輸出的電流大，所以在顯

36、示塊前端用7407驅(qū)動器對8279的輸出電流進行放大，驅(qū)動器7407對8片led實現(xiàn)段選的功能。芯片8279通過譯碼器741s138、反向器7404和驅(qū)動器mc1413對led實現(xiàn)位選的功能。3.3.3 led的工作原理 圖3-6七段式led顯示部件(a)典型的七段式led器件; (b)共陽極led; (c)共陰極led3.3.4 8279鍵盤顯示接口芯片 圖3-7 8279鍵盤顯示電路第4章誤差分析 為了提高儀器的測量準確度，必須分析儀器本身的誤差來源，以便進一步改善儀器的性能。通過對儀器本身的分析，可知該儀器的主要誤差來自于熱電偶和單片機系統(tǒng)，下面進行具體分析。4.1熱電偶帶來的測量誤差

37、應(yīng)用熱電偶測量某處溫度時，一般來說需經(jīng)過一段時間后，才能測得被測處的真實溫度。但實際上并非如此，各種因素影響了熱電偶測溫的準確性。熱電偶主要從三方面引起誤差:熱電偶安裝引起的測量誤差;熱電偶固有特性引起的誤差;檢定過程中引起的誤差。4.1.1熱電偶安裝引起的測量誤差 熱電偶是在絕緣物質(zhì)與保護管的保護下進行測溫的，當熱電偶插入深度不夠時，將受到與保護管接觸的側(cè)壁或周圍環(huán)境的影響而引起誤差。為消除此項誤差，熱電偶要有足夠的插入深度，金屬保護管插入深度應(yīng)為直徑的15-20倍，非金屬保護管應(yīng)為直徑的10-15倍。此外，在熱電偶附近放置與其有一定溫差的很大的物體時，熱電偶將接收輻射能而引起誤差。4.1.

38、2熱電偶固有特性引起的誤差 (1)熱交換誤差 這是由于被測對象和熱電偶之間熱交換不完善而引起的誤差，由于這個誤差的存在使得熱電偶熱端溫度達不到被測溫度，產(chǎn)生這個誤差的原因是由于熱輻射損失和導(dǎo)熱損失。由于被測空間或被測物體與外界往往存在有溫度差，從而存在熱交換。當被測物體溫度高于外界溫度時，由于輻射熱所產(chǎn)生的影響，熱電偶測出的溫度較之實際溫度偏低。為減少此項誤差，可采取如下措施: (a)盡量使管壁表面和被測介質(zhì)溫度相接近，即盡量減少它們之間的溫度差，可給管壁表面包一層絕熱層(如石棉等)?？稍跓犭娕己凸鼙谥g加裝防輻射罩，以消除熱電偶和管壁間的直接輻射作用。防輻射罩最好用耐高溫和反光性強的物質(zhì)做成

39、;減少熱電偶保護套管和熱電極(無保護套管時)的黑度(輻射)系數(shù)。 (b)盡可能減少熱電偶保護套管外徑。 (c)增加被測介質(zhì)的流速，以增加熱電偶和被測介質(zhì)間的對流傳熱。 熱電偶測溫時的導(dǎo)熱損失由熱電偶本身的傳導(dǎo)作用引起，在測溫時熱電偶本身受熱程度不同，一部分熱量從溫度較高的熱端經(jīng)由保護套管、熱電極等傳到溫度較低的冷端。這樣熱電偶測得的溫度較之實際溫度偏低，為減少此導(dǎo)熱誤差，可采取如下措施: (a)增加熱電偶得插入深度。 (b)盡可能采用熱傳導(dǎo)系數(shù)小的材料作保護套管。當希望時間常數(shù)小，以減少動態(tài)誤差時，則應(yīng)采用熱傳導(dǎo)系數(shù)大的材料。 (2)熱電特性不同引起的誤差 此誤差是指補償導(dǎo)線與熱電偶材料在01

40、00范圍內(nèi)因熱電特性不同而產(chǎn)生的誤差。影響熱電偶及補償導(dǎo)線熱電特性的原因有兩大類，即化學(xué)成分和物理成分。 (a)化學(xué)原因:熱電極及補償導(dǎo)線在使用中被氧化、腐蝕和沾污等。 (b)物理原因:熱電極及補償導(dǎo)線在高溫下晶粒長大、變形和引起機械應(yīng)力等。 (3)冷端溫度引起的誤差 工業(yè)上用電子電位差計或動圈儀表來測溫時，都用冷端補償電橋來補償冷端溫度的變化。但只能在某兩個溫度點(如20和50 0c)完全補償，從而在其它點引起了誤差。 (4)動態(tài)誤差 被測對象溫度變化后，測溫儀器來不及立即指出變化了的溫度，因而引起讀數(shù)誤差。對于快速變化的溫度，由于測溫元件的熱惰性，動態(tài)誤差可能很大，這時必須采用小慣性熱電偶

41、。熱電偶時間常數(shù)的大小是決定誤差大小的主要因素，并與之成正比。同時，它對溫度的自動調(diào)節(jié)和控制以及溫度的快速測定等起著相當重要的作用。 (5)絕緣不良引起的誤差 在熱電偶使用時，應(yīng)注意兩熱電極之間以及它們和大地之間均應(yīng)有良好的絕緣，否則將會有熱電勢損耗，直接影響測量結(jié)果的準確性，嚴重時會影響儀表的正常運行。 (6)寄生電動勢引起的誤差 從熱電偶參考端到測量回路中，只要有很小的溫度梯度，則在不同金屬接觸處將產(chǎn)生寄生熱電動勢，如果有水，可能還將產(chǎn)生化學(xué)寄生熱電動勢。為了消除化學(xué)寄生熱電動勢，應(yīng)避免粘著水分。為了保證導(dǎo)線的物理化學(xué)性能相同，應(yīng)從同一卷導(dǎo)線上截取，最好在冰點裝置中將兩根線短路，測量其寄生電動勢，找出不產(chǎn)生寄生熱電動勢的導(dǎo)線。而且，整套測量裝置要盡可能避免放在日光直接照射或者輻射以及容易引起溫度梯度的場所，并采取必要的遮蔽和保溫措施，可使寄生熱電動勢降至1v以下。在應(yīng)用熱電偶測溫時，首先必須正確地選型，合理地安裝與使用，同時還必須避免污染，并盡可能地設(shè)法消除各種外界影響，以減少附加誤差，達到測溫準確、簡便和耐用等目的