熱電偶傳感器的測(cè)溫特性的驗(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(cè)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(lái)使其形成一個(gè)閉合回路，利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B的測(cè)溫性能參數(shù)隨溫度變化而變化的特性并通過測(cè)量導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B測(cè)溫性能參數(shù)的變化,從而得到被測(cè)溫度的大小。
1.引言
       隨著社會(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)化信息的獲取過程。傳感器的發(fā)明就是人類歷史上的一個(gè)重要發(fā)明，隨著信息的增多,對(duì)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(shí)，也在不斷完善對(duì)各種信號(hào)的檢測(cè)。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(cè)量和控制的重要參數(shù)。在溫度測(cè)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(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣精度高和便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。另外,因?yàn)闊犭娕甲鳛橐环N有源傳感器,測(cè)量時(shí)不需外加電源,使用時(shí)十分方便,所以常被用作測(cè)量?jī)x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(cè)溫的基本原理是將兩種不同成份的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度差時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流并通過導(dǎo)體,此時(shí)兩端之間就存在-一種電動(dòng)勢(shì),這種電動(dòng)勢(shì)稱作為熱電動(dòng)勢(shì),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--端導(dǎo)體是自由端(冷端)。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)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(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。
       熱電偶是一-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毫秒內(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(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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),這個(gè)過程需要信號(hào)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(huì)隨著時(shí)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-一個(gè)回路時(shí),將其兩端連接。當(dāng)兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，--端導(dǎo)體的溫度為T,稱為工作端或熱端，而另一-端導(dǎo)體的溫度為T0，稱為自由端或冷端，此時(shí)回路中將會(huì)產(chǎn)生-一個(gè)熱電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)則稱為“熱電動(dòng)勢(shì)”。如圖1.

       熱電動(dòng)勢(shì)是由兩部分的電動(dòng)勢(shì)組成,一部分是由于兩種導(dǎo)體的接觸所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，另一部分是單--導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)與溫差電動(dòng)勢(shì)相結(jié)合就是熱電偶回路電動(dòng)勢(shì)。
       熱電偶回路電動(dòng)勢(shì):EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)+EA(t,t)-EB(+,t0)t為實(shí)測(cè)溫度;tn為冷端溫度;EAB(t,0)為冷端溫度為0℃時(shí),熱電偶電勢(shì)輸出;EAB(t,tn)為冷端溫度為tnC時(shí),熱電偶電勢(shì)輸出;EAB(tn,0)為冷端補(bǔ)償電勢(shì)。
       但需要注意的是,熱電偶回路中熱電動(dòng)勢(shì)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(wú)關(guān)。
3.熱電偶冷端補(bǔ)償方案
       熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端(測(cè)量端為熱端,通過引線與測(cè)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(shì)大小與測(cè)量溫度將會(huì)呈-定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的外界環(huán)境溫度變化，將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施來(lái)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。可以采用以下的幾種方法:
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(hào)傳輸,并能夠消除熱電偶冷端溫度的變化引起的測(cè)量誤差,用來(lái)保證儀表對(duì)介質(zhì)溫度的精確測(cè)量。
3、用計(jì)算修正法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度變化的對(duì)數(shù)據(jù)的影響,但這種方法只適用于實(shí)驗(yàn)室或臨時(shí)性測(cè)溫,而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的連續(xù)測(cè)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(duì)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(lái)測(cè)量熱端和冷端溫度,采用USB采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)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位高精度的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)換部分采用高精度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位高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)按器，它將來(lái)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(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(tǒng)的穩(wěn)定。測(cè)量值再加上冷端0C時(shí)的熱電勢(shì),現(xiàn)可用計(jì)算器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償計(jì)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(yīng)該注意的是,由于熱電偶溫度電勢(shì)曲線的非線性，上面所說的相加是電勢(shì)的相加，而不是簡(jiǎn)單的溫度相加。
6.結(jié)語(yǔ)
       本文主要介紹了熱電偶溫度傳感器的測(cè)溫系統(tǒng)。本文對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行了概述。最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，完成了設(shè)計(jì)要求。