熱電偶

熱電偶（thermocouple）是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優(yōu)點。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。

工作原理

當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0 ，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點的溫度有關(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)生的電動勢則稱為“熱電動勢” 。

熱電動勢由兩部分電動勢組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動勢，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動勢。

熱電偶回路中熱電動勢的大小，只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動勢便是兩接點溫度t和t0。的函數(shù)差 。

這一關(guān)系式在實際測溫中得到了廣泛應(yīng)用。因為冷端t0恒定，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢只隨熱端（測量端）溫度的變化而變化，即一定的熱電動勢對應(yīng)著一定的溫度。我們只要用測量熱電動勢的方法就可達到測溫的目的 ［1］ 。

熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，

當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。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，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴重影響測量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償正常。與測量儀表連接用專用補償導(dǎo)線。

熱電偶冷端補償計算方法：

從毫伏到溫度：測量冷端溫度，換算為對應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度；

從溫度到毫伏：測量出實際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度。

溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)，對溫度的測量在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機械制造和食品加工、國防、科研等領(lǐng)域中有廣泛地應(yīng)用。在某些特殊的場合對溫度的檢測速度有很高的要求，例如：在測量汽車發(fā)動機吸入空氣的溫度的時候，就要求熱響應(yīng)時間小于1s；航天飛機的主發(fā)動機的溫度測量要求0.4s內(nèi)完成等。因此針對以上問題就有人提出溫度快速測量的思想。

通常用來測量溫度的傳感器有熱電阻溫度傳感器、熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器等幾種。這些常用溫度傳感器一般的溫度測量中可以滿足響應(yīng)速度的問題。但在特殊的場合就不能達到快速檢測的要求，例如在氣體溫度測量時候，由于溫度傳感器自身的熱滯特性，而氣體傳熱過程又比較緩慢，氣體溫度測量就有很大滯后。工業(yè)常用的精度較高的溫度傳感器有鉑熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等。鉑熱電阻具有溫度測量范圍大、重復(fù)性好、精度高等特點，但是響應(yīng)不是很快，特別是在對氣體溫度測量時至少要幾秒鐘，在某些工作環(huán)境比較特殊的場合，如高壓環(huán)境下，還需使用鎧裝的鉑熱電阻，更是延緩了熱響應(yīng)速度。

半導(dǎo)體溫度傳感器分熱敏電阻和PN結(jié)型溫度傳感器兩種。熱敏電阻非常適合對微弱溫度變化的測量，但是缺點是非線性嚴重；PN結(jié)型的特點是體積小、線性輸出、精度高，但是不能使用在液體環(huán)境，對氣體溫度變化響應(yīng)也較慢［1］。所以用溫度傳感器一般都存在著對氣體溫度變化響應(yīng)較慢的問題。

在對溫度實時性測量要求比較高的系統(tǒng)，運用常用溫度測量方法很難做到對溫度的快速測量，對系統(tǒng)的精度影響就很大。在工業(yè)過程控制與生產(chǎn)制造領(lǐng)域普遍使用具有較高測溫精度及測溫范圍的熱電偶做測溫元件。在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶中，K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶由于具有價格低廉、輸出熱電勢值較大、熱電勢與溫度的線性關(guān)系好、化學(xué)穩(wěn)定性好、復(fù)制性好、可在1000℃下長期使用等特點，因而是工業(yè)生產(chǎn)制造部門應(yīng)用最廣泛的熱電偶元件。

但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時，卻存在著以下幾方面的問題。①非線性：熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此在應(yīng)用時必須進行線性化處理。②冷端補償：熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為0℃時與測量端的電勢差值，而在實際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需進行冷端補償。③數(shù)字化輸出：與嵌入式系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口，而作為模擬小信號測溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個要求。在許多熱工實驗中，往往面臨熱電偶冷端溫度問題，不管是采用恒溫補償法（冰點補償法）還是電橋補償法，都會帶來實驗費用較高、實際的檢測系統(tǒng)較復(fù)雜。

難以達到實時測量、接口轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜等問題，而隨著計算機測控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，溫度參數(shù)的微機化測量與控制已成為必然趨勢。因此我們必須解決對熱電偶測量信號的放大調(diào)理、非線性校正、冷端補償、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸出接口等一系列復(fù)雜的問題，以及解決模擬與數(shù)字電路硬件設(shè)計過程和建表、查表、插值運算等復(fù)雜的軟件編制過程，以達到使電路簡化，成本減少，增加系統(tǒng)可靠性的目的。

鑒于上面的分析，本論文主要任務(wù)是設(shè)計一種基于高精度K型熱電偶傳感器的快速測溫系統(tǒng)。采用帶有冷端補償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675、K型熱電偶、89C52單片機、數(shù)碼管等元器件設(shè)計出相應(yīng)溫度采集電路、溫度轉(zhuǎn)換電路、溫度控制電路、超量程報警電路、數(shù)碼管顯示電路。系統(tǒng)用單片機對帶有冷端補償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675進行控制，要達到任務(wù)書中的技術(shù)指標(biāo)，使其具有良好的實用性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對固體表面、液體和氣體溫度的高精度快速測量。