热电偶测温系统设计.doc

热电偶测温系统设计
电子信息工程08级1班指导老师:
摘要:热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器,在工业用温度传感器中占有及其重要的地位。该测温系统由温度测量电路、运算放大电路、A/D转换电路及显示电路组成,以AT89C2051单片机为主控单元,由K型镍铬-镍硅热电偶测量热端温度T,测量范围在0—1200℃之间,由集成温度传感器AD590测量冷端温度T0,并对测温热电偶的热电势及AD590测得的补偿电势进行采样,送入A/D转换器转换成数字量,存放在单片机内存单元中,经程序解算后得到温度值,转换为BCD码,同时驱动四位数码管显示。试验结果显示,该系统对温度测量具有较高的精度,实现了温度测量功能,其主要技术指标达到了系统设计要求。
关键词:热电偶;温度;A/D;单片机
目录
1. 热电偶测温原理及系统框图 1
热电偶测温原理 1
热电偶工作原理 1
热电偶的基本定律 2
方案选择及系统框图 3
2. 热电偶测温系统硬件电路设计 5
温度测量及放大电路 5
冷端温度补偿电路 8
A/D转换电路 9
单片机控制的显示电路 11
3. 热电偶测量温度系统软件设计 15
软件总体流程设计 15
系统软件实现原理 15
系统程序构建 15
4. 体会和总结 16
5. 元器件清单 18
参考文献 18
附录 19

热电偶测温原理
热电偶工作原理
热电偶的基本工作原理是热电动势效应。
1823年塞贝克发现,将两种不同的导体(金属或合金)A和B组成一个闭合回路(称为热电偶,见图1-1),若两接触点温度(T,T0)不同,则回路中有一定大小电流,表明回路中有电势产生,该现象称为热电动势效应或塞贝克效应,通常称为热电效应。回路中的电势称为热电势或塞贝克电势,用EAB(T,T0)表示。两种不同的导体A和B称热电极,测量温度时,两个热电极的一个接点置于被测温度场(T)中,称该点为测量端,也叫工作端或热端;另一接点置于某一恒定温度(T0)的地方,称参考端或自由端、冷端。T与T0的温差愈大,热电偶的热电势也愈大,因此,可以用热电势的大小衡量温度的大小。
图1-1 热电效应
当热电偶两电极的材料不同,且A、B固定后,热电偶的热电势EAB(T,T0)便成为两端温度T和T0的函数,即:
EAB(T,T0)= E(T)—E(T0) (1-1)
也就是说,热电偶的热电势等于热端与冷端温度T和T0所引起的电势差。
当T0保持不变,即E(T0)为常数时,则热电势EAB(T,T0)便为热电偶热端温度T的函数
EAB(T,T0)= E(T)—C=Φ(T) (1-2)
由此可知,EAB(T,T0)与T有单值对应关系,这就是热电偶测温的基本公式。
热电偶的基本定律
1. 均质导体定律
两种均质金属组成的热电偶,其热电势的大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关,只与热电极材料和两端温度有关。
如果热电极材质不均匀,则当热电极上各处温度不同时,将产生附加电势,造成无法估计的测量误差,因此,要求热电极材质均匀,克服因热电极各处温度不同而造成的附加误差,热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。

对于热电偶回路中热电势的大小,必须将其断开,接入仪表才能测出其热电势值。所接入的仪表是另一种材质C所构成的导体,如图1-2所示。闭合回路中出现了除A、B电极以外的第三种导体C之后,回路总的电动势会有什么变化呢?
根据热电偶中间导体定律可知,只要第三种导体C的两端温度相等且均质,就对热电势在EAB(T,T0)的大小毫无影响。既然如此,把冷端焊点打开,接入仪表,并保持其两端温度都在冷端温度T0之下,就能测出总热电势。回路中还可接入更多的导体材料,只要它们两端温度相等且材质均匀,便对热电势无影响。
图1-2 中间导体定律
3. 中间温度定律
热电偶在接点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn时的热电势和Tn、T0时相应热电势的代数和,即
EAB(T,T0)= EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0) (1-3)
若T0=0,则有
EAB(T,0)= EAB(T,Tn)+EAB(Tn,0) (1-4)
(参考)电极定律
如果两种导体(A、B)分别与第三种导体C组合成热电偶的热电势已知,则由这两种导体(A、B)组成的热电偶的热电势也就已知,这就是标准电极定律或参考电极定律,即
EAB(T,T0)= EAC(T,T0)—EBC(T,T0) (1-5)
根据标准电极定律,