熱電偶傳感器測(cè)溫系統(tǒng)論文

1、漢口學(xué)院電子信息工程學(xué)院 課程論文 熱電偶傳感器測(cè)溫系統(tǒng)課程名稱(chēng)傳感器原理與應(yīng)用姓 名梅禮曄系 別電子信息工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)2012級(jí)電氣四班學(xué) 號(hào)2012910158指導(dǎo)教師戴焯論文評(píng)分 2014年11月25日 摘要 熱電偶是將溫度變化量轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)大小的熱電傳感器，是一種廣泛應(yīng)用的間接測(cè)量溫度的方法，即利用一些材料或元件的性能參數(shù)隨溫度而變化通過(guò)測(cè)量該性能參數(shù)，而得到被測(cè)溫度的大小。本文中主要介紹利用熱電偶傳感器測(cè)溫的原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在論述測(cè)溫的同時(shí)，針對(duì)不足,提出了一種基于數(shù)值計(jì)算軟件化測(cè)溫方法，并給出了實(shí)現(xiàn)這種測(cè)溫的4個(gè)步驟，給出了相關(guān)電路、擬合關(guān)系式和計(jì)算方法。為

2、了是測(cè)溫精度更高，在此分析了誤差優(yōu)化方法，探討了誤差時(shí)間常數(shù)分析、非線(xiàn)性補(bǔ)償法及冷端溫度補(bǔ)償技術(shù)。關(guān)鍵字：熱電偶、軟件化、時(shí)間常數(shù)、非線(xiàn)性補(bǔ)償、冷端溫度補(bǔ)償1.溫度的基本概念(參考文獻(xiàn)【1】)溫度是度量物體冷、熱程度的物理量,在生產(chǎn)和科學(xué)中占有極其重要的地位,是國(guó)際單位制(SI)中7個(gè)基本物理量之一。從能量角度來(lái)看,溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量發(fā)布狀態(tài)的物理量;從微觀(guān)上看,溫度標(biāo)志著系統(tǒng)內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度,溫度高的物體,分子平均動(dòng)能大,溫度低的物體,分子平均動(dòng)能小;從熱平衡觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量。而用來(lái)度量物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo),它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)(零

3、點(diǎn))和測(cè)量溫度的基本單位。目前用的較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。溫度測(cè)量方式有接觸式和非接觸式兩大類(lèi)。接觸式測(cè)溫法是將傳感器置于與物體相同的熱平衡狀態(tài)中,使傳感器與物體保持同一溫度的測(cè)溫方法。非接觸式儀表測(cè)溫的范圍廣,不受測(cè)溫上限的限制,也不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng),反映速度快;但受到物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水汽等外界因素的影響,其測(cè)量誤差較大。2.熱電偶測(cè)溫基本原理(參考文獻(xiàn)【2】)熱電偶的測(cè)溫原理基于熱電效應(yīng),如圖1所示。將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路,當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)電T和T0的溫度不同時(shí),如果T>T0在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì),并在回路中有一

4、定大小的電流,此種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng),記為EAB,導(dǎo)體A,B稱(chēng)為熱電極。接點(diǎn)T通常是焊接在一起的,測(cè)量時(shí)將它置于測(cè)溫場(chǎng)所感受被測(cè)溫度,故稱(chēng)為測(cè)量端(或工作端、熱端)。接點(diǎn)T要求溫度恒定,稱(chēng)為參考端(或冷端)。熱電動(dòng)勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)所組成,熱電動(dòng)勢(shì)的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及接點(diǎn)溫度有關(guān)。圖1熱電偶回路2.1接觸熱電動(dòng)勢(shì)當(dāng)兩種電子密度不同的導(dǎo)體A與B接觸時(shí),接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散,電子從電子密度高的導(dǎo)體流向密度低的導(dǎo)體。電子擴(kuò)散的速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為NA和NB,且NA>NB,電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子

5、而帶正電,導(dǎo)體B則獲得電子而帶負(fù)電,在接觸面形成電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)阻礙了電子的擴(kuò)散,達(dá)到動(dòng)平衡時(shí),在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差,即接觸電勢(shì),其大小為： (1)式中k玻耳茲曼常數(shù),k=1.38×10-23J/K;e電子電荷量,e=1.6×10-19C;T接觸處的溫度,K;NA,NB分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。2.2溫差電動(dòng)勢(shì)因?qū)w兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為溫差電勢(shì)。由于溫度梯度的存在,改變了電子的能量分布,高溫端(T)電子將向低溫端(T0)擴(kuò)散,致使高溫端因失去電子帶正電,低溫端因獲電子而帶負(fù)電。因而在同一導(dǎo)體兩端也產(chǎn)生電位差,并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散,于是電子擴(kuò)散

6、形成動(dòng)平衡,此時(shí)所建立的電位差稱(chēng)為溫差電勢(shì),它與溫度的關(guān)系為: (2) 式中為湯姆遜系數(shù),表示溫差1所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值,其大小與材料性質(zhì)及兩端的溫度有關(guān)。2.3熱電偶回路總電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)體A和B組成的熱電偶閉合電路在兩個(gè)接點(diǎn)處有兩個(gè)接觸電勢(shì)eAB(T)與eAB(T0),又因?yàn)門(mén)>T0,在導(dǎo)體A和B中還各有一個(gè)溫差電勢(shì)。所以閉合回路總熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T,T0)應(yīng)為接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電勢(shì)的代數(shù)和,即: (3)對(duì)于已選定的熱電偶,當(dāng)參考溫度恒定時(shí),總熱電動(dòng)勢(shì)就變成測(cè)量端溫度T的單值函數(shù),即:2.4有關(guān)熱電偶測(cè)溫的基本定律2.4.1均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路,不論導(dǎo)體的橫截面積、長(zhǎng)度以及溫度

7、分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。如果熱電偶的兩根熱電極由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成,那么,熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān),與熱電偶的溫度分布無(wú)關(guān)。2.4.2中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體,只要其兩端的溫度相等,該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)這一定則,若把連接導(dǎo)線(xiàn)和顯示儀器看成第三種導(dǎo)體,只要他們的兩端溫度相同,則不影響總熱電動(dòng)勢(shì)。2.4.3中間溫度定律熱電偶兩結(jié)點(diǎn)的溫度分別為T(mén)、T0時(shí)所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶T,以及、時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和,即有下式: (4)中間溫度定律是制定熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)。在一般工程測(cè)量中,自由端常常不是零度而是室溫或其它溫度,通過(guò)上式及

8、熱電偶分度表計(jì)算工作端的溫度。2.4.4參考電極定律兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C(或稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)電極)組成熱電偶,如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知,A和B兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得: (5)可見(jiàn),只要知道兩種導(dǎo)體分別與參考電極組成熱電偶時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì),就可以依據(jù)參考電極定律計(jì)算出兩導(dǎo)體組成熱電偶時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì),從而簡(jiǎn)化了熱電偶的選配工作。2.5熱電偶的選擇熱電偶結(jié)構(gòu)類(lèi)型很多，其特性及應(yīng)用環(huán)境不同，在選擇熱電偶測(cè)溫時(shí)，應(yīng)從溫度變化、測(cè)量精度要求，安裝及維護(hù)方便、價(jià)格高低等幾個(gè)方面綜合考慮，常用熱電偶的特性及應(yīng)用環(huán)境如表2所示。為了適應(yīng)需要。目前已研制出多種特殊性能熱電偶，舉例如下：1. 鎢銅系熱電偶

9、鎢銅系材料是目前較好的超高溫材料，測(cè)溫范圍可達(dá)0°C-3000°C。例如鎢錸5-鎢錸20熱電偶，一般測(cè)溫范圍為300°C-2400°C時(shí)，精度可達(dá)到1%，且熱電勢(shì)大，適用于高溫測(cè)量；但尚未合適延長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)，測(cè)溫時(shí)應(yīng)采用0度恒溫法或軟件法實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。 表2常用熱電偶工作特性及適應(yīng)溫度名稱(chēng)（代號(hào)）分度號(hào)適應(yīng)溫度/°C工作特性鉑銠10-鉑（WRLB）LB-3，S0-1600熱電偶特性穩(wěn)定，抗氧化，測(cè)量精度高，范圍大，宜制成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶鉑銠30-鉑銠（WRLL）LL-2，B0-1800比鉑銠10-具有更穩(wěn)定的熱電特性和精度、更大的測(cè)溫范圍，熱電勢(shì)更小，可作

10、為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；冷端溫度在50°C以下可不考慮冷端誤差鎳鉻-鎳硅（鋁）（WREU）EU-2，K-1350熱電勢(shì)打，熱電熱心接近于線(xiàn)性，有較強(qiáng)的抗氧化性和抗腐蝕性。復(fù)制性好，價(jià)格便宜，工業(yè)應(yīng)用廣泛；測(cè)量精度和穩(wěn)定性稍差鎳鉻-康銅（WRRA）E-1100熱電勢(shì)大，熱電特性線(xiàn)性，價(jià)格便宜，適于在還原性和中性氣體中使用；測(cè)量范圍小銅-康銅CK-670熱電勢(shì)大，價(jià)格低；高溫下銅極易氧化2. 鎳鉻金鐵熱電偶這類(lèi)熱電偶低溫性能極好，在絕對(duì)溫度1-300范圍，熱電勢(shì)大且穩(wěn)定，適用于超低溫測(cè)量。3. 薄膜熱電偶這是由兩種不同的金屬材料蒸鍍到絕緣薄片上而形成的薄片式熱電偶，薄膜厚度一般為0.01-0.1m

11、m,平面尺寸也很小，因而測(cè)溫靈敏度高，反應(yīng)快（毫秒級(jí)），適用于溫度變化快的場(chǎng)合。4. 非金屬電熱級(jí)電偶這類(lèi)熱電偶是用石墨和難以熔化的化合物做成熱電級(jí)，用于測(cè)量2000°C以上的高溫，其工作穩(wěn)定性好，熱電勢(shì)大，價(jià)格不高，具有取代貴重金屬高溫?zé)犭娕嫉拈_(kāi)發(fā)價(jià)值。但這種熱電偶復(fù)制性差，機(jī)械強(qiáng)度小、脆性大，使用場(chǎng)合受到很大限制。3.熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)(參考文獻(xiàn)【3】) 在這里對(duì)工業(yè)循環(huán)冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要對(duì)管路內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行溫度測(cè)量要求測(cè)量速度小于1s,精度1°C，采用單片機(jī)系統(tǒng)控制測(cè)量。 在常規(guī)液體測(cè)溫應(yīng)用中，需要對(duì)傳感器進(jìn)行鎧裝保護(hù)，即將傳感器封裝到導(dǎo)熱陶瓷或金屬套管中，但鎧裝會(huì)增加

12、敏感元件熱容量，極大的降低傳感器對(duì)溫度的響應(yīng)時(shí)間。普通凱裝熱電偶或熱電阻的溫度響應(yīng)時(shí)間約為10s以上，特殊鎧裝的約為5s以上，這顯然不滿(mǎn)足此系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因而，在此采用熱電偶導(dǎo)線(xiàn)自作傳感器的封裝。與熱電阻相比。熱電偶導(dǎo)線(xiàn)與工作的焊點(diǎn)小，焊點(diǎn)直徑約為1mm，因此敏感元件質(zhì)量非常小，最終測(cè)溫的響應(yīng)時(shí)間較小。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)儀器校驗(yàn)，對(duì)傳感器輸入一個(gè)50°C的階躍型號(hào)，其響應(yīng)時(shí)間在1s以下，且信號(hào)的傳送利用熱電偶絲完成，因此容易封裝。3.1放大電路 測(cè)溫采用的是K型熱電偶，由于對(duì)水進(jìn)行測(cè)溫。其測(cè)量范圍為0°C-100°C,對(duì)應(yīng)的輸出熱電動(dòng)勢(shì)在5mv以下，輸入微弱信號(hào)，熱電偶的工

13、作端通過(guò)熱電偶導(dǎo)線(xiàn)的保護(hù)套管接入水路，參考端直接連入測(cè)量電路。其工作端和參考端距離較遠(yuǎn)，容易引入共模干擾，因此采用儀表放大電路來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)量電路。 AD620是美國(guó)AD公司推出的單片機(jī)儀表放大器，采用標(biāo)準(zhǔn)8腳雙列直插式封裝和8腳貼片式封裝，放大倍數(shù)有外接的精密電阻決定。 AD620的管腳功能和基本接法如圖3所示，2腳和3腳是高阻輸入端，6腳是輸出端，7腳接正負(fù)電源，5腳接參考地，電壓放大倍數(shù)由1腳和8腳間外接的精密電阻決定： AD620是單片精密儀表放大器，非線(xiàn)性失真小，共模共模抑制比高，低漂移和低噪聲，非常在適合惡劣條件下對(duì)采集的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。采用AD620儀表放大器對(duì)熱電偶輸出信號(hào)進(jìn)行 放

14、大的電路如圖4所示，熱電偶導(dǎo)線(xiàn)連接到AD620的兩個(gè)輸入端，其中3腳直接接地，為放大器的輸入偏置電流提供直流返回通路;同時(shí)，單端接線(xiàn)方式使得熱電偶導(dǎo)線(xiàn)上的共模信號(hào)在放大器輸入端抵消，放大電路采用雙極性5V電源供電，電阻RG取51 ，得到放大倍數(shù)為970倍。3.2測(cè)量方法 圖5是溫度測(cè)量系統(tǒng)的整體原理框圖，由熱電偶傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，再將AD260組成放大電路，多路開(kāi)關(guān)送至A/D轉(zhuǎn)換器，最終將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到MCU。在放大電路輸入端，配置一個(gè)集成溫度傳感器LM135，檢測(cè)冷端環(huán)境溫度，其輸出信號(hào)經(jīng)多路開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器至MCU，其測(cè)量結(jié)果作為參考溫度對(duì)熱電偶的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行冷端補(bǔ)償。最終

15、的補(bǔ)償結(jié)果由MCU通過(guò)RS232接口送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。圖5 溫度測(cè)量系統(tǒng)整體原理框圖圖中LM135是PN結(jié)反向運(yùn)用狀態(tài)的感溫器件，可作為二端工作的齊納二級(jí)管，其擊穿電壓正比于絕對(duì)溫度，測(cè)溫范圍為（-55-150）°C，靈敏約為10mV/K,在25°C時(shí)輸出電壓為2.98V。由于冷端環(huán)境溫度為常溫，因此LM135輸出電壓無(wú)須放大，直接入A/D轉(zhuǎn)換器。MCU根據(jù)LM135輸出的冷端溫度，結(jié)合K型熱電偶的分度表，利用熱電偶的中間溫度定律進(jìn)行冷端校正。參考端溫度為0°C時(shí)，K型熱電偶分度表如圖5所示。圖5 K型熱電偶分度表溫度 電勢(shì)值 溫度 電勢(shì)值 溫度 電勢(shì)值 溫度 電勢(shì)

16、值 溫度 電勢(shì)值 溫度 電勢(shì)值 溫度 電勢(shì)值 () (mV) () (mV) () (mV) () (mV) () (mV) () (mV) () (mV)00582.3541164.7561747.12329.42329011.79534814.20910.039592.3951174.7971757.142339.46429111.83634914.25120.079602.4361184.8381767.182349.50429211.87735014.29330.119612.4781194.8791777.222359.54529311.91935114.33540.158622.5

17、191204.921787.262369.58529411.9635214.37750.198632.5611214.9611797.32379.62629512.00135314.41960.238642.6021225.0021807.342389.66629612.04335414.46170.277652.6441235.0431817.382399.70729712.08435514.50380.317662.6851245.0841827.422409.74729812.12635614.54590.357672.7271255.1241837.462419.78829912.16

18、735714.587100.397682.7681265.1651847.52429.82830012.20935814.629110.437692.811275.2061857.542439.86930112.2535914.671120.477702.8511285.2471867.5792449.90930212.29136014.713130.517712.8931295.2881877.6192459.9530312.33336114.755140.557722.9341305.3281887.6592469.99130412.37436214.797150.597732.97613

19、15.3691897.69924710.03130512.41636314.839160.637743.0171325.411907.73924810.07230612.45736414.881170.677753.0591335.451917.77924910.11330712.49936514.923180.718763.11345.4911927.81925010.15330812.5436614.965190.758773.1421355.5321937.85925110.19430912.58236715.007200.798783.1841365.5721947.89925210.

20、23531012.62436815.049210.838793.2251375.6131957.93925310.27631112.66536915.091220.879803.2671385.6531967.97925410.31631212.70737015.133230.919813.3081395.6941978.01925510.35731312.74837115.175240.96823.351405.7351988.05925610.39831412.7937215.217251833.3911415.7751998.09925710.43931512.83137315.2592

21、61.041843.4331425.8152008.13825810.4831612.87337415.301271.081853.4741435.8562018.17825910.5231712.91537515.343281.122863.5161445.8962028.21826010.56131812.95637615.385291.163873.5571455.9372038.25826110.60231912.99837715.427301.203883.5991465.9772048.29826210.64332013.0437815.469311.244893.641476.0

22、172058.33826310.68432113.08137915.511321.285903.6821486.0582068.37826410.72532213.12338015.554331.326913.7231496.0982078.41826510.76632313.16538115.596341.366923.7651506.1382088.45826610.80732413.20638215.638351.407933.8061516.1792098.49926710.84832513.24838315.68361.448943.8481526.2192108.53926810.

23、88932613.2938415.722371.489953.8891536.2592118.57926910.9332713.33138515.764381.53963.9311546.2992128.61927010.97132813.37338615.806391.571973.9721556.3392138.65927111.01232913.41538715.849401.612984.0131566.382148.69927211.05333013.45738815.891411.653994.0551576.422158.73927311.09433113.49838915.93

24、3421.6941004.0961586.462168.77927411.13533213.5439015.975431.7351014.1381596.52178.81927511.17633313.58239116.017441.7761024.1791606.542188.8627611.21733413.62439216.059451.8171034.221616.582198.927711.25933513.66539316.102461.8581044.2621626.622208.9427811.333613.70739416.144471.8991054.3031636.662

25、218.9827911.34133713.74939516.186481.9411064.3441646.7012229.0228011.38233813.79139616.228491.9821074.3851656.7412239.06128111.42333913.83339716.27502.0231084.4271666.7812249.10128211.46534013.87439816.313512.0641094.4681676.8212259.14128311.50634113.91639916.355522.1061104.5091686.8612269.18128411.

26、54734213.95840016.397532.1471114.551696.9012279.22228511.5883431440116.439542.1881124.5911706.9412289.26228611.6334414.04240216.482552.231134.6331716.9812299.30228711.67134514.08440316.524562.2711144.6741727.0212309.34328811.71234614.12640416.566572.3121154.7151737.062319.38328911.75334714.16740516.

27、608當(dāng)LM135輸出的冷端溫度為23°C勢(shì)，而熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量值為1.200mv,根據(jù)中間溫度定律：,首先查表得=0.919mv,而為1.200mv，則計(jì)算出為2.119mv,在查表得實(shí)際溫度為52.5°C。4.熱電偶軟件優(yōu)化方法（參考文獻(xiàn)【4】5）4.1軟件化測(cè)溫原理如前所述，由于讓冷端保持為0的恒溫比較困難，也使測(cè)量裝置變得復(fù)雜，因此直接測(cè)量是比較麻煩的，且也沒(méi)有這個(gè)必要。根據(jù)公式(4)可得 (6)如果已知和，則依據(jù)公式(6)就可計(jì)算得到，、通過(guò)反求分度表即可得到待測(cè)的溫度t。由于這種方法不需要冷端恒溫或溫度補(bǔ)償裝置，可以大大簡(jiǎn)化硬件電路，但需要通過(guò)數(shù)值計(jì)算

28、的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，故稱(chēng)為軟件化測(cè)溫。 事實(shí)證明，直接測(cè)量和，不僅是可能的，而且也十分方便，可以獲得很高的精度。其中是熱電偶的冷端(溫度為to)不作任何處理時(shí)直接測(cè)量獲得的熱電勢(shì); 為熱電偶工作端為、冷端為0時(shí)的熱電勢(shì)，這可以通過(guò)先測(cè)量t。再查分度表來(lái)獲得。4.2軟件測(cè)溫的步驟4.2.1的測(cè)量 由于熱電勢(shì)信號(hào)比較微弱(mV級(jí))，檢測(cè)時(shí)一般需要進(jìn)行放大處理。在圖1所示電路中，經(jīng)過(guò)PGA電路(可編程增益放大器)放大后，得到，其幅值范圍是0-5. OV，這樣便于后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換和微處理器數(shù)據(jù)采集工作。其測(cè)量電路圖如下。在這里采用了精密的增益可編程儀表放大器LTC6915,可以獲得0,1,2,4,8

29、,16,32,64,128,256,512,1 024,2 048或4 096等14級(jí)增益，可以滿(mǎn)足同類(lèi)型的熱電偶測(cè)溫需要。比如1 000時(shí)S型熱電偶輸出熱電勢(shì)約9.5 mV，而E型的熱電勢(shì)可達(dá)75 mV以上，因此前者的增益可設(shè)為512，后者的增益可設(shè)為64。LTC6915的增益可由軟件通過(guò)D3-DO來(lái)設(shè)置，且誤差小于0.1%，能夠保證熱電勢(shì)的檢測(cè)精度。 根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果ADvalue值(數(shù)字量)，可以計(jì)算得到的大小 （7）式中:Gain測(cè)量電路的增益值NA/D轉(zhuǎn)換的位數(shù),A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓值為5.0V 4.2.2端溫度的測(cè)量及的計(jì)算 一般情況下，熱電偶的冷端處于自然環(huán)境中，其溫度范圍為

30、0-50C，因此可采用基于恒流源的高精度集成溫度傳感器AD590來(lái)檢測(cè)。其測(cè)量電路圖如下。根據(jù)AD590的特性及以上測(cè)量電路，有 (8式中:輸出電壓，由A/D轉(zhuǎn)換電路檢測(cè) AD590的電流溫度系數(shù)，為冷端所處的環(huán)境溫度()。 由于與具有簡(jiǎn)單而良好的線(xiàn)性關(guān)系，因此通過(guò)對(duì)測(cè)量就可以得到值。利用熱電偶分度表，很容易求取與溫度t。對(duì)應(yīng)的值，可以采用查表法或公式計(jì)算法。前者需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)表格，而且查表時(shí)也要進(jìn)行分段的內(nèi)插運(yùn)算，過(guò)程比較繁瑣;后者則可以利用擬合得到的分度表E-t關(guān)系式直接計(jì)算得到，較為簡(jiǎn)便。但需要注意的是，因關(guān)系具有非線(xiàn)性，擬合時(shí)必須保證足夠的精度。 擬合得到的S型熱電偶在0一50區(qū)間

31、的E-t關(guān)系式為 (9)4.2.3 的計(jì)算 在以上步驟基礎(chǔ)上結(jié)合公式（6）即可求出。4.2.4 由反求t 熱電偶分度表給出的是關(guān)系，且溫度為輸人量，熱電勢(shì)E作為輸出量，所以在此不能直接使用關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，必須求出其反函數(shù)。由于熱電偶的關(guān)系式是非線(xiàn)性的，是多項(xiàng)式函數(shù)，直接用數(shù)學(xué)變換的方法難以求取其反函數(shù)，因此可采用一元函數(shù)的最小二乘法，對(duì)分度表給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，從而求出的關(guān)系式。 利用matlab程序?qū)D5中K型熱電偶分度進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，為了結(jié)果精確溫度，這里我們采用分段擬合，結(jié)果見(jiàn)表6.多項(xiàng)擬合公式如下 段號(hào)熱電勢(shì)范圍 mV溫度范圍°C線(xiàn)性表達(dá)式10-122070-300T=

32、24.6189931E-0.191296062212207-29128300-700T=23.5660E+13.463135329128-38122700-920T=24.3979E-11.073529438122-46238920-1130T=25.8932E-57.846758546238-523981130-1300T=27.6751E-150.1536 表6 K型熱電偶分度擬合表表 該測(cè)溫方法可以用于不同類(lèi)型的熱電偶。在特定的測(cè)溫區(qū)間內(nèi)因各型熱電偶的熱電勢(shì)大小不同，為防止信號(hào)超量程，需要設(shè)定不同的電路增益，并注意調(diào)用不同的擬合公式。這些擬合公式可以預(yù)先做好并存人程序代碼中。 當(dāng)然，由于

33、軟件化測(cè)溫方法需要完成一定量的浮點(diǎn)運(yùn)算，因此適合于具有較強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算功能的處理器系統(tǒng)。 5熱電偶測(cè)溫誤差時(shí)間常數(shù)分析(參考文獻(xiàn)【6】)5.1測(cè)溫與誤差由于熱電偶的熱接點(diǎn)具有一定的熱容量,熱接點(diǎn)從介質(zhì)中吸收熱量后,加熱自身提高溫度到穩(wěn)定值需要一定的時(shí)間,在時(shí)間上總是要滯后于被測(cè)介質(zhì)溫度的變化,即測(cè)量的指示溫度總是滯后于被測(cè)介質(zhì)的實(shí)際溫度,引起溫度偏差,從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差。由牛頓冷卻定律可知,熱接點(diǎn)的熱平衡方程為: 式中,為熱電偶的動(dòng)態(tài)指標(biāo),即時(shí)間常數(shù); 為熱接點(diǎn)溫度;t為時(shí)間;T為介質(zhì)真實(shí)溫度。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)、不同的熱交換條件、不同的被測(cè)介質(zhì)狀態(tài),其時(shí)間常數(shù)也不相同,它是熱電偶測(cè)量溫度產(chǎn)生誤差的主要

34、因素之一。5.2測(cè)溫誤差的時(shí)間常數(shù)分析熱交換有三種基本方式:對(duì)流方式,輻射方式和傳導(dǎo)方式。不同傳熱方式,具有不同的熱平衡關(guān)系,導(dǎo)致不同的過(guò)渡過(guò)程。在對(duì)流傳熱方式下,測(cè)量氣體介質(zhì)溫度,當(dāng)測(cè)量點(diǎn)處于熱平衡時(shí),由牛頓冷卻定律可知,熱接點(diǎn)的熱平衡方程為:整理得:式中, 為時(shí)間常數(shù),Tc為傳感器指示溫度,t為時(shí)間, 被測(cè)氣體的瞬時(shí)真實(shí)溫度。上式即為熱電偶對(duì)被測(cè)介質(zhì)溫度變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。它表明測(cè)量滯后量()與時(shí)間常數(shù)有關(guān),與測(cè)熱點(diǎn)溫度變化速率有關(guān),該測(cè)溫系統(tǒng)為一階系統(tǒng)。對(duì)于測(cè)量恒定溫度,則有:式中, 為被測(cè)溫度, 為動(dòng)態(tài)誤差。由此可見(jiàn), 值越大,到達(dá)穩(wěn)定值的時(shí)間就越長(zhǎng),動(dòng)態(tài)誤差就越大。對(duì)于測(cè)量線(xiàn)性變化的溫度

35、,熱接點(diǎn)的熱平衡方程表達(dá)式為:式中, 為被測(cè)溫度的初始值,B為被測(cè)溫度的變化率。同理可以分析出, 值越大,動(dòng)態(tài)誤差就越大。對(duì)于測(cè)量以正弦函數(shù)變化的溫度,當(dāng)時(shí),熱電偶的溫度與時(shí)間的關(guān)系式可近似表達(dá)為:式中, 為正弦函數(shù)的幅值, 為角頻率。分析上式可知,由于滯后角,值越大,角就越大,幅值也就越小。經(jīng)過(guò)上述分析,可以看出要快速準(zhǔn)確地測(cè)量溫度,必須有效地減小動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差,即減小時(shí)間常數(shù)值。5.3綜上可以知道：對(duì)于任何測(cè)量,誤差都是不可避免的。通過(guò)分析熱電偶測(cè)溫誤差的原因,我們就可以有的放矢地去減小測(cè)量誤差。對(duì)于減小動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差,就必須有效地控制時(shí)間常數(shù)值。因?yàn)闀r(shí)間常數(shù)式中,C為熱接點(diǎn)的比熱為熱接點(diǎn)材料

36、的密度,V為熱接點(diǎn)的體積, 為傳熱系數(shù), 為熱接點(diǎn)的表面積,所以,在進(jìn)行高精度的溫度檢測(cè)時(shí),熱電偶的選擇應(yīng)選擇比熱C小、密度小和傳熱系數(shù)大的熱電極,以便減小時(shí)間常數(shù)值。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,還可采用RC微分電路進(jìn)行信號(hào)處理,校正熱電偶的動(dòng)態(tài)特性?？傊?通過(guò)探討時(shí)間常數(shù)對(duì)測(cè)溫的影響,對(duì)指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)依據(jù),具有一定的實(shí)用價(jià)值。6 熱電偶冷端補(bǔ)償技術(shù)(參考文獻(xiàn)【6】)由熱電偶測(cè)溫原理知道，只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。在應(yīng)用時(shí)熱電偶熱端與冷端距離很近，冷端又暴露于空間中，容易受到環(huán)境溫度及設(shè)備或管道中介質(zhì)溫度的影響，故冷端溫度難以保持恒定，為此必須進(jìn)行

37、補(bǔ)償。6.1補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法由于兩種不同類(lèi)型的金屬結(jié)合在一起會(huì)產(chǎn)生電位差，所以熱電偶與測(cè)量系統(tǒng)的連接也會(huì)產(chǎn)生電壓。一般把連接點(diǎn)放在隔熱塊上以減小這一影響，使兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處于同一溫度下，從而降低誤差。有時(shí)候也會(huì)測(cè)量隔熱塊的溫度，以補(bǔ)償溫度的影響。由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，準(zhǔn)確測(cè)量溫度，必須設(shè)法使自由端延伸到遠(yuǎn)離被測(cè)對(duì)象且溫度又比較穩(wěn)定的地方。如果把熱電偶做得很長(zhǎng)，則安裝使用不方便，因熱電極多為貴金屬，所以成本高。人們從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)某些便宜金屬組成的熱電偶在0100范圍內(nèi)其熱電特性與已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶的熱電特性非常接近。因此

38、，可以用這些導(dǎo)線(xiàn)來(lái)代替原有熱電極將熱電偶的自由端延伸出來(lái)，這種方法稱(chēng)為補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法。不同的熱電偶要求配用不同的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)。使用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)時(shí),補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的正、負(fù)極必須與熱電偶的正、負(fù)極同名端對(duì)應(yīng)相接。正、負(fù)兩極的接點(diǎn)溫度應(yīng)保持相同，延伸后的自由端溫度應(yīng)當(dāng)恒定，這樣應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)才有意義。對(duì)常用的鉑銠-鉑熱電偶，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)銅-鎳銅；鎳鉻鎳硅熱電偶，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)銅-康銅；對(duì)鎳鉻-考銅、銅-康銅等廉價(jià)金屬制成的熱電偶，則可用本身材料做補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)將冷端延伸到溫度恒定的地方。此外熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)連接處溫度不應(yīng)超過(guò)100，同時(shí)所用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)不應(yīng)選錯(cuò)，否則會(huì)由于熱電特性不同而帶來(lái)新的誤差。6.2熱電偶的自由端溫度補(bǔ)償利用熱電偶測(cè)溫，其溫度與熱電勢(shì)關(guān)系曲線(xiàn)是在自由端溫度為0時(shí)分度的，我們利用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)僅僅使自由端延伸到了溫度較低或比較穩(wěn)定的操作室，并沒(méi)有保證自由端溫度為0，因此，