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連接起來使其形成一個閉合回路,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
       隨著社會的發展,科學的進步，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。傳感器的發明就是人類歷史上的一一個重要發明，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構,功能及其應用前景。在工業生產過程中,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，熱電偶具有結構簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高和便于遠傳等優點。另外,因為熱電偶作為一-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閉合回路，當兩端存在溫度差時,回路中就會產生電流并通過導體，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。將兩種不同成份的均質導體當做熱電極,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)。根據熱電動勢與溫度的函數關系，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-種優點很多的元件。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亳秒內產生反應。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，熱電偶需要將溫度信號轉化為電信號,這個過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,會隨著時間產生電解反應而發生腐蝕。
        當有兩種不同的導體A和B組成一一個回路時，將其兩端連接。當兩結點處的溫度不同，一端導體的溫度為T,稱為工作端或熱端,而另--端導體的溫度為TO，稱為自由端或冷端，此時回路中將會產生一個熱電動勢,該電動勢的方向和大小只與導體的材料及兩接點處的溫度有關。這種現象稱為“熱電效應”，兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”,這兩種導體稱為“熱電極”,產生的電動勢則稱為“熱電動勢”。如圖1.

       熱電動勢是由兩部分的電動勢組成,-部分是由于兩種導體的接觸所產生的電動勢,另一部分是單一導體的溫差電動勢。接觸電動勢與溫差電動勢相結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體材料和兩接點的溫度有關,而與熱電偶的形狀尺寸無關。
3.熱電偶冷端補償方案
       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-定的比例關系。若測量時，冷端的外界環境溫度變化,將會嚴重影響測量的正確性。在冷端采取一定措施來補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償。為了消除這種誤差,必須進行冷端溫度補償。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(如冰水混合物),使冷端溫度一-直處于0℃的狀態下。
2.可以利用補償導線，補償導線是--種特種的導線,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溫度測量。
3、用計算修正法來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驗室或臨時性測溫,而對于現場的連續測量并不實用的。
4.設計方案及其特點
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來測量熱端和冷端溫度,采用USB采集卡實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相互擬合進行非線性校正及冷端補償。
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，它將來自單片機線性化處理后的數據進行DA轉化,產生電流,送控制中心。
5.調整參數設計
       本系統采用誤差修正公式來清除系的誤差,從輸出端引反饋量到輸人端來改善系統的穩定。測量值再加上冷端0℃時的熱電勢,現可用計算器來實現自動補償計算。在無誤差的理想情況下，有于是存在關系
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.結語
       本文主要介紹了熱電偶溫度傳感器的測溫系統。本文對系統原理進行了概述。最后對系統進行了測試實驗，完成了設計要求。