標(biāo)準(zhǔn)熱電偶概述
熱電偶是工業(yè)上*常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應(yīng),即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。其優(yōu)點(diǎn)是：
①測量精度高。因熱電偶直接與被測對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。
②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶*低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），*高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。
③構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。
1．熱電偶測溫基本原理
將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢,因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。
常用的熱電偶材料有：
熱電偶分度號(hào) 熱電極材料
正極 負(fù)極
S 鉑銠10 純鉑
R 鉑銠13 純鉑
B 鉑銠30 鉑銠6
K 鎳鉻 鎳硅
T 純銅 銅鎳
J 鐵 銅鎳
N 鎳鉻硅 鎳硅
E 鎳鉻 銅鎳
2．熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形成
（1）熱電偶的種類
常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。
標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。
(2)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下：
①組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；
②兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；
③補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
④保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
3．熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償
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，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測溫的影響。
在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。
一、熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用
下面介紹一個(gè)典型的單片機(jī)控制的測溫系統(tǒng)，它由三大部分組成：(1)測量放大電路；(2)A/D轉(zhuǎn)換電路；(3)顯示電路。它廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、化工廠的測溫及溫度控制系統(tǒng)中。
1、硬件設(shè)計(jì)
(1) 熱電偶溫度傳感器
本系統(tǒng)使用鎳鉻—鎳硅熱電偶，被測溫度范圍為0～655℃，冷端補(bǔ)償采用補(bǔ)償電橋法，采用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。不平衡電橋由電阻R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、Rcu(銅絲繞制)四橋臂和橋路穩(wěn)壓源組成，串聯(lián)在熱電偶回路中。Rcu與熱電偶冷端同處于±0℃,而R1=R2=R3=1Ω，橋路電源電壓為4V，由穩(wěn)壓電源供電，Rs為限流電阻，其阻值因熱電偶不同而不同，電橋通常取在20℃時(shí)平衡，這時(shí)電橋的四個(gè)橋臂電阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端無輸出。當(dāng)冷端溫度偏離20℃時(shí)，例如升高時(shí)，Rcu增大，而熱電偶的熱電勢卻隨著冷端溫度的升高而減小。Uab與熱電勢減小量相等，Uab與熱電勢迭加后輸出電勢則保持不變，從而達(dá)到了冷端補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)完成。
(2) 測量放大電路
實(shí)際電路中，從熱電偶輸出的信號(hào)*多不過幾十毫伏(<30mV)，且其中包含工頻、靜電和磁偶合等共模干擾，對(duì)這種電路放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此宜采用測量放大電路。測量放大器又稱數(shù)據(jù)放大器、儀表放大器和橋路放大器，它的輸入阻抗高，易于與各種信號(hào)源匹配，而它的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流及輸入偏置電流小，并且溫漂較小。由于時(shí)間溫漂小，因而測量放大器的穩(wěn)定性好。由三運(yùn)放組成測量放大器，差動(dòng)輸入端R1和R2分別接到A1和A2的同相端。輸入阻抗很高，采用對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測信號(hào)直接加到輸入端，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。A3實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器，其增益近似為1。測量放大器的放大倍數(shù)為：AV=V0/（V2-V1），AV=Rf/R(1 (Rf1 Rf2)/RW)。在此電路中，只要運(yùn)放A1和A2性能對(duì)稱(主要指輸入阻抗和電壓增益)，其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗和共模抑制比，對(duì)微小的差模電壓很敏感，適宜于測量遠(yuǎn)距離傳輸過來的信號(hào)，因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用。RW是用來調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，在此用多圈電位器。
實(shí)際電路中A1、A2采用低漂移高精度運(yùn)放OP-07芯片，其輸入失調(diào)電壓溫漂αVIOS和輸入失調(diào)電流溫漂αIIOS都很小，OP-07采用超高工藝和“齊納微調(diào)”技術(shù)，使其VIOS、IIOS、αVIOS和αIIOS都很小，廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密加法、比校檢波和微弱信號(hào)的精密放大等。OP-07要求雙電源供電，使用溫度范圍0～70℃，一般不需調(diào)零，如果需要調(diào)零可采用RW進(jìn)行調(diào)整。A3采用741芯片，它要求雙電源供電，供電范圍為±(3～18)V，典型供電為±15V，一般應(yīng)大于或等于±5V，其內(nèi)部含有補(bǔ)償電容，不需外接補(bǔ)償電容。
(3) A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)換電路
經(jīng)過測量放大器放大后的電壓信號(hào)，其電壓范圍為0～5V，此信號(hào)為模擬信號(hào)，計(jì)算機(jī)無法接受，故必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。實(shí)際電路中，選用ICL7109芯片。ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的雙積分型12位A/D轉(zhuǎn)換器。由于目前12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格較高，因此在要求速度不太高的場合，如用于稱重測壓力、測溫度等各種傳感器信號(hào)的高精度測量系統(tǒng)中時(shí)，可采用廉價(jià)的雙積分式12位A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109。ICL7109主要有如下特性：(1)高精度(**到1/212=1/4096)；(2)低噪聲(典型值為15μVP-P)；(3)低漂移(<1μV/℃)；(4)高輸入阻抗(典型值1012Ω)；(5)低功耗(<20mW)；(6)轉(zhuǎn)換速度*快達(dá)30次/秒，當(dāng)采用3.58MHz晶振作振源時(shí)，速度為7.5次/秒；(7)片內(nèi)帶有振蕩器，外部可接晶振或RC電路以組成不同頻率的時(shí)鐘電路；(8)12位二進(jìn)制輸出，同時(shí)還有一位極性位和一位溢出位輸出；(9)輸出與TTL兼容，以字節(jié)方式(分高低字節(jié))三態(tài)輸出，并且具有VART掛鉤方式，可以用簡單的并行或串行口接到微處理系統(tǒng)；(10)可用RVNHOLD(運(yùn)行/保持)和STATUS(狀態(tài))信號(hào)監(jiān)視和控制轉(zhuǎn)換定時(shí)；(11)所有輸入端都有抗靜電保護(hù)電路。
ICL7109內(nèi)部有一個(gè)14位(12位數(shù)據(jù)和一位極性、一位溢出)的鎖存器和一個(gè)14位的三態(tài)輸出寄存器，同時(shí)可以很方便地與各種微處理器直接連接，而無需外部加額外的鎖存器。ICL7109有兩種接口方式，一種是直接接口，另一種是掛鉤接口。在直接接口方式中，當(dāng)ICL7109轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，由STATUS發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束指令到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)分高位字節(jié)和低位字節(jié)進(jìn)行讀數(shù)。在掛鉤接口方式時(shí)，ICL7109提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換模式，適用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ICL7109為40線雙列直插式封裝，各引腳功能參考相關(guān)文獻(xiàn)。
(4) ICL7109與89C51的接口
本系統(tǒng)采用直接接口方式，7109的MODE端接地，使7109工作于直接輸出方式。振蕩器選擇端(即OS端，24腳)接地，則7109的時(shí)鐘振蕩器以晶體振蕩器工作，內(nèi)部時(shí)鐘等于58分頻后的振蕩器頻率，外接晶體為6MHz，則時(shí)鐘頻率=6MHz/58=103kHz。積分時(shí)間=2048×?xí)r間周期=20ms，與50Hz電源周期相同。積分時(shí)間為電源周期的整數(shù)倍，可抑制50Hz的串模干擾。
在模擬輸入信號(hào)較小時(shí)，如0～0.5伏時(shí)，自動(dòng)調(diào)零電容可選比積分電容CINT大一倍，以減小噪聲，CAZ的值越大，噪聲越小，如果CINT選為0.15μF，則CAZ=2CINT=0.33μF。
由傳感器傳來的微弱信號(hào)經(jīng)放大器放大后為0～5V，這時(shí)噪聲的影響不是主要的，可把積分電容CINT選大一些，使CINT=2CAZ，選CINT=0.33μF，CAZ=0.15μF，通常CINT和CAZ可在0.1μF至1μF間選擇。積分電阻RINT等于滿度電壓時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值(當(dāng)電流為20μA、輸入電壓=4.096V時(shí)，RINT=200kΩ)，此時(shí)基準(zhǔn)電壓V RI和V-RI之間為2V，由電阻R1、R3和電位器R2分壓取得。
本電路中，CE/LOAD引腳接地，使芯片一直處于有效狀態(tài)。RUN/HOLD(運(yùn)行/保持)引腳接 5V，使A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行。
A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時(shí)，STATUS引腳輸出高電平，STATUS引腳降為低電平時(shí)，由P2.6輸出低電平信號(hào)到ICL7109的HBEN，讀高4位數(shù)據(jù)、極性和溢出位；由P2.7輸出低電平信號(hào)到LBEN，讀低8位數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中盡管CE/LOAD接地，RUN/HOLD接 5V，A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行，然而如果89C51不查詢P1.0引腳，那么就不會(huì)給出HBEN、LBEN信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線D0～D7上。不需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，不會(huì)影響89C51的工作，因此這種方法可簡化設(shè)計(jì)，節(jié)省硬件和軟件。
(5)顯示電路
采用3位LED數(shù)碼管顯示器，數(shù)碼管的段控用P1口輸出，位控由P3.0、P3.1、P3.2控制。7407是6位的驅(qū)動(dòng)門，它是一個(gè)集電極開路門，當(dāng)輸入為“0”時(shí)輸出為“0”；輸入為“1”時(shí)輸出斷開，須接上位電路。共用兩片7407，分別作為段控和位控的驅(qū)動(dòng)。數(shù)碼管選共陽極接法，當(dāng)位控為“1”時(shí)，該數(shù)碼管選通，動(dòng)態(tài)顯示用軟件完成，節(jié)省硬件開銷。
2、軟件設(shè)計(jì)
ICL模塊：從A/D轉(zhuǎn)換器讀取結(jié)果的模塊，它連續(xù)讀3次，讀出3個(gè)結(jié)果分別存放于內(nèi)部30H～35H單元(雙字節(jié)存放)。
WAVE數(shù)字濾波模塊：它是將ICL模塊輸出的3個(gè)結(jié)果排序，取中間的數(shù)作為選用的測量值。此模塊可以避免因電路偶然波動(dòng)而引起的脈沖量的干擾，使顯示數(shù)據(jù)平穩(wěn)。
MODIFY模塊：它是補(bǔ)償熱電偶冷端器25℃時(shí)的量值，相當(dāng)于儀表中的零點(diǎn)調(diào)到25℃，稱此模塊為零點(diǎn)校正模塊(此溫度為室溫)。
YA查表模塊：它是核心模塊。表格數(shù)據(jù)是按一定規(guī)律增長的數(shù)據(jù)(0～655℃)，表格中電壓值與溫度值一一對(duì)應(yīng)，表格中的電壓值是熱電偶輸出信號(hào)乘以放大倍數(shù)(150)以后的結(jié)果，變成十六進(jìn)制數(shù)進(jìn)行存放，低位在前，高位在后，因而它的數(shù)據(jù)地址可以代表溫度值，用查找的內(nèi)容的地址減去表格首地址0270H后再除以2(雙字節(jié)存放)即為溫度值。此數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制數(shù)還需進(jìn)行二十進(jìn)制轉(zhuǎn)換(CLEAN)，再送顯示器顯示。
查表法：采用二分查找法，DP先找對(duì)半值(MIDDLE)同轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)比較(COMPARE)，看屬哪一半，修改表格上下限值，再進(jìn)行對(duì)半比較，經(jīng)過若干次后，直到找到數(shù)據(jù)為止，如果找不到，也就是說被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)介于表格中兩相鄰值之間，則再調(diào)用取近值模塊(NEAR)，選擇與被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)接近的那個(gè)數(shù)據(jù)作為查找到的數(shù)據(jù)，然后調(diào)用溫度值模塊(FIND)，整個(gè)查表模塊就完成了從輸入到輸出的變化。
DIR：采用動(dòng)態(tài)3位顯示，顯示時(shí)間由實(shí)驗(yàn)測定，各模塊設(shè)計(jì)完成后要進(jìn)行測試，盡量使其內(nèi)聚性強(qiáng)、模塊間耦合性強(qiáng)，并采用數(shù)據(jù)耦合。
尊敬的客戶：
本公司有標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)、
標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻、
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