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(hù)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(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時(shí)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(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)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(gè)電動勢，該電動勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)溫度t和t0。的函數(shù)差 。

這一關(guān)系式在實(shí)際測溫中得到了廣泛應(yīng)用。因?yàn)槔涠藅0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(dá)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(shí)，回路中就會有電流通過，此時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)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(shí)，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(shí)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(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償正常。與測量儀表連接用專用補(bǔ)償導(dǎo)線。

熱電偶冷端補(bǔ)償計(jì)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(shí)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(jī)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(jī)吸入空氣的溫度的時(shí)候，就要求熱響應(yīng)時(shí)間小于1s；航天飛機(jī)的主發(fā)動機(jī)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(dá)到快速檢測的要求，例如在氣體溫度測量時(shí)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(diǎn)，但是響應(yīng)不是很快，特別是在對氣體溫度測量時(shí)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(diǎn)是非線性嚴(yán)重；PN結(jié)型的特點(diǎn)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(shí)時(shí)性測量要求比較高的系統(tǒng)，運(yùn)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(jià)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(diǎn)，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(jī)的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí)，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(shí)必須進(jìn)行線性化處理。②冷端補(bǔ)償：熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為0℃時(shí)與測量端的電勢差值，而在實(shí)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(jìn)行冷端補(bǔ)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(gè)要求。在許多熱工實(shí)驗(yàn)中，往往面臨熱電偶冷端溫度問題，不管是采用恒溫補(bǔ)償法（冰點(diǎn)補(bǔ)償法）還是電橋補(bǔ)償法，都會帶來實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高、實(shí)際的檢測系統(tǒng)較復(fù)雜。

難以達(dá)到實(shí)時(shí)測量、接口轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜等問題，而隨著計(jì)算機(jī)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(jī)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(bǔ)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(jì)過程和建表、查表、插值運(yùn)算等復(fù)雜的軟件編制過程，以達(dá)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(jì)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(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675、K型熱電偶、89C52單片機(jī)、數(shù)碼管等元器件設(shè)計(jì)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(bào)警電路、數(shù)碼管顯示電路。系統(tǒng)用單片機(jī)對帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675進(jìn)行控制，要達(dá)到任務(wù)書中的技術(shù)指標(biāo)，使其具有良好的實(shí)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。