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郑州轻工业学院本科毕业设计题目基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计学生姓名闵许可专业班级电子信息工程11-01学号541101030129院（系）电子信息工程学院指导教师(职称)完成时间2015 年06 月04 日郑州轻工业学院毕业设计（论文）任务书题目基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计专业电子信息工程学号541101030129 姓名闵许可主要内容、基本要求、主要参考资料等：一、主要内容：针对热电偶温度传感器的输出信号特点，结合考虑其热惰性时间常数，实时测量记录动态温度的变化过程。
二、基本要求：1、选定一款热电偶温度传感器，产品的测温范围就是温度记录范围；2、设计动态温度实时测量算法；3、设计相关的测试系统框图；4、设计以单片机为核心的硬件电路；5、设计单片机软件流程图和程序；6、撰写设计报告。
三、主要参考资料：1、路立平等，温度传感器的热时间常数及其测试方法，《仪表技术与传感器》2005年7期。
2、钱可元，高精度热电偶温度变送器，PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol.24, No. 8, Aug. , 2003。
3、赵标等，热电偶测温及冷端补偿研究与实现，《上海船舶运输科学研究所学报》2013年6期。
4、王前波等，基于单片机的热电偶温度测量系统设计，《科技信息》2007年3期完成期限：2015年3月2日－2015年6月19日指导教师签章：专业负责人签章：2015年 3 月 2 日基于热电偶温度传感器的动态温度实时测量记录系统设计摘要近年来热电偶渐渐地开始频繁的作为检测温度元器件出现在我们的视线中，但是，这种温度传感器用起来很麻烦，大都是需要有专门的温度补偿导线，而温度补偿导线的价格又不便宜，而且使用起来也不方便，还会影响测量精度。
这种把模拟量直接作为数据采集的方案在应用过程中一定会遇到的。
除此之外，在实际应用中，监视较远处的温度信号也是不可避免的。
摘要本设计简要介绍了热电偶测温仪的测温原理、所用的硬器件结构与工作原理，并对其进行了硬件设计和软件设计，然后对其最终显示做了试验。
通过测定，验证测温仪的误差大小，以便可以工程使用。
该测温仪是以AT89C51单片机为核心，由热电偶测量温度，并对其进行冷端温度补偿。
该热电偶采用K 型镍铬-镍硅热电偶，测量范围在0—800℃之间。
使用＋5V电源。
采用4位共阴极LED数码管显示。
并利用键盘设定温度上下限，这样当所测温度超越了可测温度范围，报警器鸣镝，报警灯亮，以便通知工程人员做相应处理。
在工业测量中，被测对象常存在电场、磁场、噪声等恶劣环境中，这样采样值可能偏离真实值。
所以，在软件设计中，还需要一组滤波程序，以提高信噪比，减少乃至消除各种干扰及噪音，提高测量精度。
目录第1章热电偶测温仪原理与方框图1.1、热电偶测温原理 (4)1.2、热电偶测温仪系统方框图 (4)第2章器件说明2.1、AT89C51单片机 (5)2.2、LED数码显示器 (8)2.3、74LS164(8位并行输出串行移位寄存器) (8)2.4、X2045 (10)2.5、热电偶 (12)2.6、TCL0832 (14)第3章硬件电路设计第4章软件电路设计4.1 A/D转换子程序设计 (15)4.2 线形化标度变换子程序设计 (16)4.3 总程序设计 (17)总结附录参考文献第1章．热电偶测温仪原理与方框图1.1、热电偶测温原理热电偶传感器是一种将温度变化转化为电势变化的传感器，它是由两种不同的金属A和B构成一个闭合回路，当两个接触端温度不同，即T>T0时，回路中会产生热电势E AB（T，T0），如图1所示。
其中，T称为热端，T0称为冷端，A和B称为热电极。
热电势E AB（T，T0）的大小是由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势所决定的。
E AB（T，T0）= E（T，T n）+ E（T n，T0）其中T n是参考温度，T0零温。
毕业设计论文全自动热电偶温度检定系统设计摘要热电偶是一种常用的温度传感器，应用相当广泛。
在长期工作过程中，热电偶性能会发生改变，产生测温误差。
我国计量法规定，在热电偶的使用过程中需要进行周期性的检定和修正，以确保热电偶温度计测温的准确性。
论文在分析热电偶检定规程的基础上，介绍了热电偶自动检定系统的整体设计方案、硬件组成、软件设计和主要技术问题的解决方法。
选用HH54P小型继电器和开关量控制接口卡PC-6408，组成多通道扫描装置，配合高精度可程控的多功能测试仪表FLUKE289，实现检定数据的自动采集；采用模糊控制和PID控制相结合的算法，对检定炉温度进行控制，实现PID参数的自动整定，使炉温升温速度快、调节时间短、恒温效果好；系统监控软件采用模块设计方法，功能齐全，界面友好，操作灵活方便。
本论文所设计的热电偶自动检定系统，工作稳定，符合热电偶检定规程的要求，达到了设计要求。
系统具有很好的扩充性，可以方便简单地增加新的热电偶检定类型；缩短了检定时间，提高了工作效率；操作简单，减轻了劳动强度；自动检定，提高了自动化水平。
关键词：热电偶；自动检定；模糊控制；PID参数整定；数据采集Automatic Thermocouple Temperature CalibrationSystem DesignAbstractThermocouples are commonly-used temperature sensors in many manufacturing processes，and have found a wide range of applications．After a long-term run，the performance of a thermocouple may change，resulting in temperature measurement error．Therefore，the Metrology Law in Chinas stipulates that thermocouples have to be calibrated periodically in the course of its usage to ensure the accuracy of the temperature measurement．Based on the analysis of the Specification of Thermocouple Calibration，this thesis discusses the overall design ideas of the automatic thermocouple verification system，hardware configuration, software design and solutions to some technical problems．The calibration system first uses HH54P relays and switching control interface card PC-6408, composed of multi-channel scanning device, with high-precision programmable multi-function test instruments FLUKE289, implement test automatic data collection ．To control the calibration furnace temperature，an optimized algorithm is designed by combining the PID control and fuzzy control．The optimized algorithm can tune the PID parameters automatically．As a result，the furnace temperature can be heated up fast in a short control time，and achieves a satisfactory effect for constant temperature control．Written using a building block design fashion，the system monitoring software has a friendly graphical user interface，and is powerful，flexible and easy to operate．The automatic thermocouple verification system meets all the requirements of the Specification of Thermocouple Calibration．The system has good scalability．New types of thermocouples can be simply and easily added into the system．Compared with thetraditional manual calibration method，the automatic thermocouple calibration system can significantly shorten the calibration time．Increases calibration efficiency，reduces the labor strength and improve the level of automation．Key words：thermocouple；automatic calibration；fuzzy control；PID parameter tuning；data acquisition目录摘要 (II)Abstract (III)第1章绪论 (1)1.1热电偶检定系统的选题背景 (1)1.2热电偶自动检定系统的研究现状 (1)1.3热电偶自动检定系统的主要技术指标 (2)第2章热电偶自动检定系统方案的选择 (4)2.1系统需要解决的关键技术问题 (4)2.1.1技术性能指标 (4)2.1.2 关键技术问题 (4)2.2系统设计方案选择 (5)2.2.1冷端补偿方案 (5)2.2.2 数据采集系统设计 (7)2.2.3 炉温控制系统设计 (7)2.2.4上位机监控系统设计 (8)2.3 系统组成结构及工作原理 (9)第3章热电偶自动检定系统的硬件设计 (10)3.1数据采集系统硬件设计 (10)3.1.1多功能数字测量仪硬件选型 (10)3.1.2 通道扫描器设计 (11)3.2温度控制系统硬件设计 (17)3.2.1单相晶闸管调压触发器 (17)3.2.2模入模出接口卡 (19)3.3上位机硬件配置 (22)第4章热电偶自动检定系统温度控制方法 (23)4.1热电偶的检定炉的物理模型分析 (23)4.2控制算法选择 (24)4.2.1 PID控制 (24)4.2.2模糊控制 (26)4.3模糊PID参数自整定控制器的实现 (27)4.3.1模糊PID参数自整定控制器的结构 (27)4.3.2 PID参数模糊调整规则 (29)4.3.3模糊推理及解模糊化 (31)第5章工业热电偶自动检定系统的软件设计 (35)5.1软件系统组成 (35)5.2自动检定过程 (36)5.3模糊自适应PID控制算法的软件实现 (38)第6章结论 (40)参考文献 (41)谢辞 (42)附录 (43)第1章绪论1.1热电偶检定系统的选题背景热电偶是一种感温元件，它把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。
一、前言热电偶是一种广泛用于温度测量的简单元件。
本文简单概述了热电偶，介绍了利用热电偶进行设计的过程中常见的挑战，并提出两种信号调理解决方案。
第一种方案将参考接合点补偿和信号调理集成在一个模拟IC 内，使用更简便；第二种方案将参考接合点补偿和信号调理独立开来，使数字输出温度感应更灵活、更精确。
冷端补偿电路设计任务分析调理电路设计结果仿真一、基本原理热电偶是一种广泛用于温度测量的简单元件。
图1热电偶一)热电偶原理如图1 所示，热电偶由在一头相连的两根不同金属线组成，相连端称为测量（“热”）接合点。
金属线不相连的另一头接到信号调理电路走线，它一般由铜制成。
在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点叫做参考（“冷”）接合点。
*在参考接合点处产生的电压取决于测量接合点和参考接合点两处的温度。
由于热电偶是一种差分器件而不是绝对式温度测量器件，必须知道参考接合点温度以获得精确的绝对温度读数。
这一过程被称为参考接合点温度补偿（冷接合点补偿）。
热电偶已成为在合理精度内高性价比测量宽温度范围的工业标准方法。
它们应用于高达约+2500°C 的各种场合，如锅炉、热水器、烤箱和风机引擎等。
K型是最受欢迎的热电偶，测量范围是–200°C 至+1250°C。
热电偶优缺点优点1、温度范围广：从低温到喷气引擎废气，热电偶适用于大多数实际的温度范围。
热电偶测量温度范围在–200°C至+2500°C之间,具体取决于所使用的金属线。
2、坚固耐用：热电偶属于耐用器件，抗冲击振动性好，适合于危险恶劣的环境。
3、响应快：因为它们体积小，热容量低，热电偶对温度变化响应快，尤其在感应接合点裸露时。
它们可在数百毫秒内对温度变化作出响应。
4、无自发热：由于热电偶不需要激励电源，因此不易自发热，其本身是安全的。
缺点1、信号调理复杂：将热电偶电压转换成可用的温度读数必需进行大量的信号调理。
一直以来，信号调理耗费大量设计时间，处理不当就会引入误差，导致精度降低。
热电偶测温原理及应用论文热电偶是一种常用的温度测量装置，其原理是基于热电效应。
热电偶由两种不同材料的导线组成，当两种导线连接在两个不同温度的点上时会产生热电动势。
这个热电动势与两个温度之间的温差成正比，因此可以通过测量热电动势来确定目标温度。
热电偶的应用范围非常广泛，包括工业生产、科研领域以及日常生活中的温度测量。
在工业生产中，热电偶通常用于实时监测和控制生产过程中的温度，如热处理、熔炼和焊接等。
在科研领域，热电偶被广泛应用于各种实验和研究中，如材料性能测试、生物学实验和地质勘探等。
此外，热电偶也被广泛用于家用电器中，如烤箱、电磁炉和温度计等。
热电偶的测温原理是基于热电效应的，热电效应是指当两个不同导电材料的接触处形成温差时，会产生一个电动势。
这个电动势与温差成正比，可用来测量温度。
热电偶由两种不同的导体组成，一种是铂-铑合金，另一种是铜、铁、镍或康铜等金属。
当这两种导体连接在两个不同温度的点上时，由于热电效应会产生一个热电动势，这个热电动势与两个温度之间的温差成正比。
热电偶的工作原理可用温度-电动势关系表达，常用公式为：\[E = S(T_2 - T_1)\]其中，E为热电动势，S为热电偶的灵敏度（也称为热电系数），T1和T2分别为热电偶的两个测温端温度。
根据热电偶的工作原理，可以通过测量热电动势来确定目标温度。
这通常通过将热电偶连接到一个电子测温仪或数据采集系统上，并根据热电动势的大小来计算出目标温度。
由于热电偶可以在较宽的温度范围内工作，并且具有较高的灵敏度和快速响应特性，因此在许多需要精确温度测量的场合都得到了广泛的应用。
热电偶具有许多优点，例如尺寸小、成本低、响应速度快、可在较宽的温度范围内工作等。
另外，由于热电偶可以直接测量温度差，因此可以减小由于环境温度变化引起的误差。
但是在应用中也有一定的局限性，如热电偶测温精度受到温度非线性、外界干扰、杂散热和接触电势等因素的影响。
由于热电偶的广泛应用和重要性，关于热电偶测温原理及其应用的研究论文也层出不穷。
密级公开学号衡水学院毕业论文（设计）基于热电偶的测温电路设计论文作者：指导教师：系别：：物理与电子信息系专业电子信息工程年级：提交日期：答辩日期：毕业论文（设计）学术承诺本人郑重承诺：所呈交毕业论文（设计）为本人在导师指导下做出的钻研任务以及取得钻研成果。
除了文中致谢的地方和特别加以标注外，论文（设计）;中不存在抄袭状况，论文（设计）中不含有其他人曾经发表的研究成果，也不包括别人或其余教学机构获得的研究成果。
作者签名：日期：毕业论文（设计）使用授权的说明本人理解并恪守衡水学院的相关保留、运用毕业论文（设计）的规则。
即：学校有权保留或向相关部门送交毕业论文（设计）原件或复印件，容许论文（设计）被查阅或借阅；学校能够公开论文（设计）整体或部分内容，可以缩印、取用影印或别的复制手段保存论文（设计）及相干材料。
作者签名：指导教师签名：日期：日期：2013级电子信息工程专业毕业论文（设计）论文题目：基于热电偶的测温电路设计摘要：此文阐述了基于热电偶的测量电路设计，文中针对测温冷端补偿问题，采用了MAX6675芯片。
采集两个以上的温度数据，通过初始前后温度的差值关系，计算得到温度的数值。
此文应用热电偶以及冷端补偿温度转换芯片MAX6675、STC89C52单片机、LCD1602组件、K型热电偶。
温度测量精度可以达到0.3℃。
系统的首要任务是通过热电偶进行温度的采集，数据处理后经MAX6675冷端补偿，最终温度测量数据通过单片机处理后在LCD1602上呈现出来。
最后进行系统上的调试仿真，完成作品。
关键词：单片机；热电偶；冷端补偿TITLE: DESIGN OF TEMPERATURE MEASURINGCIRCUIT BASED ON THERMOCOUPLEAbstract: This paper describes the design of the measurement circuit based on thermocouple. In this paper, the max6675 chip is used to solve the problem of temperature compensation. Collect more than two temperature data, through the initial temperature difference between the front and back temperature, calculated the value of temperature.The application of thermocouple cold junction compensation and temperature conversion chip MAX6675, STC89C52 microcontroller, LCD1602components and k type thermocouple the accuracy of temperature measurement can reach 0.3. The primary task of the system is to collect the temperature by the thermocouple. After the data processing, it is compensated by the MAX6675cold end. Finally, the temperature measurement data is presented on the LCD1602after the single chip processor. Finally, the system debugging simulation, complete works.Key words: SCM; Thermocouple；Cold Junction Compensation2013级电子信息工程专业毕业论文（设计）目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (4)1.1课题背景 (4)1.2 工业生产领域的使用 (4)1.3 课题的设计目标 (4)2 系统原理概述 (6)2.1 热电偶测温基本原理 (6)2.2 硬件组成原理 (6)2.3 热电偶冷端补偿方案 (4)2.4 芯片MAX6675功能简介 (7)3 硬件设计 (8)3.1 系统MCU设计与电路分析 (8)3.1.1 系统MCU的简介分析 (8)3.1.2 主控制器MCU简介 (8)3.1.3 主控制器电路设计 (8)3.2 显示接口电路设计 (9)3.2.1 FYLCD1602主要参数 (9)3.2.2 FYLCD1602显示功能说明 (10)3.3 温度采集电路设计 (10)4 系统软件思路设计 (12)4.1 开发软件平台 (12)4.2 主要编程思想 (12)4.3 温度检测传感器驱动程序设计 (13)4.4 系统误差的调试 (13)4.5显示程序设计 (13)4.6 温度采集转换程序设计 (14)5 系统测试部分 (16)结语 (17)参考文献 (18)致谢 (19)基于热电偶的测温电路设计1 绪论1.1课题背景当今现世，科学技术迅速发展的同时也促进了传感器、单片机和微机控制等高科技技术的深层次发展。
温度传感器论文摘要本论文研究了温度传感器在工业自动化领域中的应用。
首先介绍了温度传感器的原理和分类。
然后详细讨论了温度传感器在自动化控制系统中的作用。
接着探讨了温度传感器的性能指标以及影响温度传感器精度的因素。
最后，通过实验验证了温度传感器的可靠性和精度。
引言温度是一个重要的物理量，在工业生产和实验研究中具有广泛的应用。
温度传感器作为测量温度的主要工具，其在工业自动化领域中起到了至关重要的作用。
本论文旨在研究温度传感器的原理和应用，以及其在自动化控制系统中的作用。
温度传感器的原理和分类温度传感器是一种能够将物理量(温度)转换成电信号的装置。
根据原理的不同，温度传感器可以分为电阻式温度传感器、热电偶和热敏电阻等多种类型。
电阻式温度传感器电阻式温度传感器是利用材料的温度对电阻值产生影响的原理来测量温度的。
常见的电阻式温度传感器有铂电阻温度传感器（PT100）、铜电阻温度传感器（CT100）等。
其中，PT100是一种常用的高精度温度传感器，广泛应用于温度测量领域。
热电偶热电偶是利用两种不同金属的热电效应来测量温度的。
它由两段不同金属的导线组成，两段导线的接触处称为冷端，另一端则称为热端。
当热电偶的热端与被测温度相接触时，产生的温差会在电压表上显示出热电动势，进而推算出温度。
热敏电阻热敏电阻是指在不同温度下电阻值发生变化的电阻。
常见的热敏电阻有二极管热敏电阻和热敏电阻。
热敏电阻的工作原理是基于半导体材料的特性，通过测量电阻值来间接反映温度。
温度传感器在自动化控制系统中的作用温度传感器在自动化控制系统中扮演着非常重要的角色。
它可以实时感知环境温度，并将温度信号转换为电信号输送给控制器。
控制器根据温度传感器的反馈信号来调整系统的工作状态，以达到设定温度的目标。
温度传感器的准确性和稳定性对系统的控制精度至关重要，因此选择合适的温度传感器对系统性能至关重要。
温度传感器的性能指标精度精度是指温度传感器输出值与真实温度之间的误差。
摘要温度是表征物体冷热程度的物理量。
在工农业生产和日常生活中,对温度的测量控制始终占据着重要地位。
温度传感器应用范围之广、使用数量之大，也高居各类传感器之首。
本文使用温度传感器设计了一个完整的测温系统.该系统所采用的温度传感器为热电偶，A/D转换器件为ADC0809，微型计算机采用的是MCS—51单片机。
系统将温度变换、显示和控制集成于一体，用软件实现系统升、降温的调节,控制采用了模糊控制原理对系统进行控制.设计的系统所满足的技术指标:测温范围为500—800℃,响应时间为小于等于1s，误差范围为-5℃-+5℃。
关键词:热电偶A/D转换模糊控制ABSTRACTTemperature is the physical quantity of symptom object cold hot level. In the daily life and production of industry and agriculture, occupy important position all along for the measure control of temperature。
Temperature sensor application broad scope and use big quantity，also hold the head of each kind of sensor high。
This paper uses temperature sensor and has designed ，is a and complete to measure warm system。
The temperature sensor adopted by this system is thermocouple，the converter of A/D is ADC0809，what personal computer adopt is that MCS—51 only flat machine。
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该测温系统结合单片机，设计以K型热电偶为温度传感器的温度测量系统。
其测量系统的测量温度可以分为三个档位，分别是高温档（500℃以上）中温档（100-500℃）低温档（100℃以下），使用前先预估待测物体温度选择合适的档位测量以提升测量精度。
通过温度传感器DS18B20在STM32L476芯片控制下进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度。
关键词：单片机；热电偶；温度测量系统Design of temperature measurement system based on K-type thermocoupleAbstract：Non-contact temperature measurement will not be in contact with the measured object. It avoids changing the thermal equilibrium state of the object. It is sensitive when measuring. The response speed is fast and the response characteristics are good. It is usually used to detect high temperature objects in the movement of 1000°C and above. This text combines the advantage of the one-chip computer, design based on 51 one-chip computer non-contact temperature measurement system. Based on 51 single-chip non-contact temperature measurement system, the measurement temperature is divided into three gears, which are high temperature file (above 500°C), medium temperature file (100-500°C), low temperature file (below 100°C), and the object to be measured is estimated before use. Temperature Select the appropriate gear measurement to improve measurement accuracy. By using the STM32L476 chip to control the temperature sensor DS18B20 for real-time temperature detection and display, it is possible to quickly measure the ambient temperature.Keywords:single chip microcomputer; non-contact; temperature measurement; design基于K型热电偶的温度测量系统设计1 绪论1.1研究背景及意义当今社会，随着科学技术发展迅猛，社会生活水平也快速提高，企业对生产也有了更高的要求:信息化、科学化、自动化。
热电偶测温系统的设计与应用研究热电偶是一种基于“塞贝克效应”和“赫斯特效应”测量温度差的传感器，其原理是通过两种不同金属的接触产生的电势差来测量温度。
随着科技的发展，热电偶已经成为了温度测量的重要手段之一，并且广泛应用在矿山、化工、冶金、军工等领域。
一、热电偶的基本原理及结构1. 原理热电偶的工作原理基于热电效应。
热电效应是指在金属材料内部，通过温度梯度的存在产生的电场。
温度梯度的大小和方向，以及热电效应的大小和方向，都与电极材料的物理特性相关。
热电偶就是利用了这个原理来进行温度测量的。
2. 结构热电偶通常由两根不同金属制成的导线组成。
与另一根金属制成的引出线相连，形成一个闭合回路。
当两条导线的接头处存在温度差时，就会产生热电势差，而这个热电势差就可以测量温度。
二、热电偶测温系统的设计1. 系统组成热电偶测温系统由测量机、热电偶、放大器、数据采集卡和计算机组成。
其中，测量机用于实时读取温度数据，热电偶用于测量实际温度，放大器用于放大热电势差信号，数据采集卡用于将信号转化为数字信号，计算机用于显示和处理温度数据。
2. 测量机测量机是热电偶测温系统的核心部分，主要负责测量热电偶的温度，并将数据发送给放大器。
同时，测量机具有清晰的显示屏，可实时反映测量数据。
测量机还可以进行温度校准、数据存储等功能。
3. 放大器放大器是热电偶测量系统的重要组成部分，主要负责放大热电势差信号。
4. 数据采集卡数据采集卡是一个连接计算机和测量机的中间件，用于将模拟信号转化为数字信号，并将数字信号发送给计算机进行处理和储存。
5. 计算机计算机是热电偶测量系统的外围设备，主要负责接收测量机发送的数字信号，并进行处理和存储。
计算机还可以进行数据分析、图形显示等功能。
6. 其它组成部分除了以上五个组成部分，热电偶测量系统还需要电源、连接线、电缆等辅助部件。
三、热电偶测温系统的应用研究热电偶测温系统不仅在工业自动化领域得到了广泛应用，也在科研领域有了很大的用途。
摘要热电偶是将温度变化量转换为热电势大小的热电传感器，是一种广泛应用的间接测量温度的方法，即利用一些材料或元件的性能参数随温度而变化通过测量该性能参数，而得到被测温度的大小。
本文中主要介绍利用热电偶传感器测温的原理及系统设计。
在论述测温的同时，针对不足,提出了一种基于数值计算软件化测温方法，并给出了实现这种测温的4个步骤，给出了相关电路、拟合关系式和计算方法。
为了是测温精度更高，在此分析了误差优化方法，探讨了误差时间常数分析、非线性补偿法及冷端温度补偿技术。
关键字：热电偶、软件化、时间常数、非线性补偿、冷端温度补偿1.温度的基本概念(参考文献【1】)温度是度量物体冷、热程度的物理量,在生产和科学中占有极其重要的地位,是国际单位制(SI)中7个基本物理量之一。
从能量角度来看,温度是描述系统不同自由度间能量发布状态的物理量;从微观上看,温度标志着系统内部分子无规则运动的剧烈程度,温度高的物体,分子平均动能大,温度低的物体,分子平均动能小;从热平衡观点来看,温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。
而用来度量物体温度数值的标尺叫温标,它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。
目前用的较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。
温度测量方式有接触式和非接触式两大类。
接触式测温法是将传感器置于与物体相同的热平衡状态中,使传感器与物体保持同一温度的测温方法。
非接触式仪表测温的范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反映速度快;但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响,其测量误差较大。
2.热电偶测温基本原理(参考文献【2】)热电偶的测温原理基于热电效应,如图1所示。
将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路,当两个接点电T和T0的温度不同时,如果T>T0在回路中就会产生热电动势,并在回路中有一定大小的电流,此种现象称为热电效应,记为EAB,导体A,B称为热电极。
接点T通常是焊接在一起的,测量时将它置于测温场所感受被测温度,故称为测量端(或工作端、热端)。
接点T要求温度恒定,称为参考端(或冷端)。
热电动势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成,热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。
2.1接触热电动势当两种电子密度不同的导体A 与B 接触时,接触面上就会发生电子扩散,电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。
电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。
设导体A 和B 的自由电子密度为NA 和NB,且NA>NB,电子扩散的结果使导体A 失去电子而带正电,导体B 则获得电子而带负电,在接触面形成电场。
这个电场阻碍了电子的扩散,达到动平衡时,在接触区形成一个稳定的电位差,即接触电势,其大小为：AB A B e =(kT/e)ln(N /N ) (1)式中k ———玻耳兹曼常数,k=1.38×10-23J/K; e ———电子电荷量,e=1.6×10-19C; T ———接触处的温度,K;NA,NB ———分别为导体A 和B 的自由电子密度。
2.2温差电动势因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。
由于温度梯度的存在,改变了电子的能量分布,高温端(T)电子将向低温端(T0)扩散,致使高温端因失去电子带正电,低温端因获电子而带负电。
因而在同一导体两端也产生电位差,并阻止电子从高温端向低温端扩散,于是电子扩散形成动平衡,此时所建立的电位差称为温差电势,它与温度的关系为:(2) 式中σ为汤姆逊系数,表示温差1℃所产生的电动势值,其大小与材料性质及两端的温度有关。
2.3热电偶回路总电动势导体A 和B 组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB(T)与eAB(T0),又因为T>T0,在导体A 和B 中还各有一个温差电势。
所以闭合回路总热电动势EAB(T,T0)应为接触电动势和温差电势的代数和,即:(3)图1热电偶回路TTe sdT =⎰0TAB 0AB AB 0A B T E =(T,T )=e (T)-e (T )-(s -s )dT ⎰对于已选定的热电偶,当参考温度恒定时,总热电动势就变成测量端温度T 的单值函数,即:0(,)()AB E T T f T =2.4有关热电偶测温的基本定律 2.4.1均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路,不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。
如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成,那么,热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关,与热电偶的温度分布无关。
2.4.2中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要其两端的温度相等,该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。
根据这一定则,若把连接导线和显示仪器看成第三种导体,只要他们的两端温度相同,则不影响总热电动势。
2.4.3中间温度定律热电偶两结点的温度分别为T 、T0时所产生的热电动势0(,)AB E T T 等于该热电偶T,0T 以及n T 、0T 时的热电动势的代数和,即有下式:000(,)(,)(,)AB AB AB n E T T E T T E T T =+ (4)中间温度定律是制定热电偶分度表的理论基础。
在一般工程测量中,自由端常常不是零度而是室温或其它温度,通过上式及热电偶分度表计算工作端的温度。
2.4.4参考电极定律两种导体A,B 分别与参考电极C(或称标准电极)组成热电偶,如果他们所产生的热电动势为已知,A 和B 两极配对后的热电动势可用下式求得:000(,)(,)(,)AB AC CB E T T E T T E T T =+ (5)可见,只要知道两种导体分别与参考电极组成热电偶时的热电动势,就可以依据参考电极定律计算出两导体组成热电偶时的热电动势,从而简化了热电偶的选配工作。
2.5热电偶的选择热电偶结构类型很多，其特性及应用环境不同，在选择热电偶测温时，应从温度变化、测量精度要求，安装及维护方便、价格高低等几个方面综合考虑，常用热电偶的特性及应用环境如表2所示。
为了适应需要。
目前已研制出多种特殊性能热电偶，举例如下： 1. 钨铜系热电偶钨铜系材料是目前较好的超高温材料，测温范围可达0°C -3000°C。
例如钨铼5-钨铼20热电偶，一般测温范围为300°C -2400°C 时，精度可达到±1%，且热电势大，适用于高温测量；但尚未合适延长导线，测温时应采用0度恒温法或软件法实现冷端补偿。
表2常用热电偶工作特性及适应温度2.镍铬—金铁热电偶这类热电偶低温性能极好，在绝对温度1-300范围，热电势大且稳定，适用于超低温测量。
3.薄膜热电偶这是由两种不同的金属材料蒸镀到绝缘薄片上而形成的薄片式热电偶，薄膜厚度一般为0.01-0.1mm,平面尺寸也很小，因而测温灵敏度高，反应快（毫秒级），适用于温度变化快的场合。
4.非金属电热级电偶这类热电偶是用石墨和难以熔化的化合物做成热电级，用于测量2000°C以上的高温，其工作稳定性好，热电势大，价格不高，具有取代贵重金属高温热电偶的开发价值。
但这种热电偶复制性差，机械强度小、脆性大，使用场合受到很大限制。
3.热电偶测温系统设计(参考文献【3】)在这里对工业循环冷水系统设计，需要对管路内的水质进行温度测量要求测量速度小于1s,精度1°C，采用单片机系统控制测量。
在常规液体测温应用中，需要对传感器进行铠装保护，即将传感器封装到导热陶瓷或金属套管中，但铠装会增加敏感元件热容量，极大的降低传感器对温度的响应时间。
普通凯装热电偶或热电阻的温度响应时间约为10s以上，特殊铠装的约为5s以上，这显然不满足此系统设计要求。
因而，在此采用热电偶导线自作传感器的封装。
与热电阻相比。
热电偶导线与工作的焊点小，焊点直径约为1mm ，因此敏感元件质量非常小，最终测温的响应时间较小。
通过标准仪器校验，对传感器输入一个50°C 的阶跃型号，其响应时间在1s 以下，且信号的传送利用热电偶丝完成，因此容易封装。
3.1放大电路测温采用的是K 型热电偶，由于对水进行测温。
其测量范围为0°C-100°C,对应的输出热电动势在5mv 以下，输入微弱信号，热电偶的工作端通过热电偶导线的保护套管接入水路，参考端直接连入测量电路。
其工作端和参考端距离较远，容易引入共模干扰，因此采用仪表放大电路来设计测量电路。
AD620是美国AD 公司推出的单片机仪表放大器，采用标准8脚双列直插式封装和8脚贴片式封装，放大倍数有外接的精密电阻决定。
AD620的管脚功能和基本接法如图3所示，2脚和3脚是高阻输入端，6脚是输出端，7脚接正负电源，5脚接参考地，电压放大倍数f A 由1脚和8脚间外接的精密电阻G R 决定：AD620是单片精密仪表放大器，非线性失真小，共模共模抑制比高，低漂移和低噪声，非常在适合恶劣条件下对采集的微弱信号进行放大。
采用AD620仪表放大器对热电偶输出信号进行 放大的电路如图4所示，热电偶导线连接到AD620的两个输入端，其中3脚直接接地，为放大器的输入偏置电流提供直流返回通路;同时，单端接线方式使得热电偶导线上的共模信号在放大器输入端抵消，放大电路采用双极性±5V 电源供电，电阻RG 取51 Ω，得到放大倍数为970倍。
49.41out f in Gu k A u R Ω==+3.2测量方法图5是温度测量系统的整体原理框图，由热电偶传感器将温度信号转换为电动势信号，再将AD260组成放大电路，多路开关送至A/D转换器，最终将转换结果送到MCU。
在放大电路输入端，配置一个集成温度传感器LM135，检测冷端环境温度，其输出信号经多路开关、A/D转换器至MCU，其测量结果作为参考温度对热电偶的测量结果进行冷端补偿。
最终的补偿结果由MCU通过RS232接口送至监控计算机。
图5 温度测量系统整体原理框图图中LM135是PN结反向运用状态的感温器件，可作为二端工作的齐纳二级管，其击穿电压正比于绝对温度，测温范围为（-55-150）°C，灵敏约为10mV/K,在25°C时输出电压为2.98V。
由于冷端环境温度为常温，因此LM135输出电压无须放大，直接入A/D转换器。
MCU根据LM135输出的冷端温度，结合K型热电偶的分度表，利用热电偶的中间温度定律进行冷端校正。
参考端温度为0°C时，K型热电偶分度表如图5所示。
图5 K型热电偶分度表当LM135输出的冷端温度为23°C 势，而热电偶输出的热电动势的测量值为1.200mv,根据中间温度定律：(,0)(,23)(23,0)E T E T E =+,首先查表得(,23)E T =0.919mv,而(23,0)E 为 1.200mv ，则计算出(,0)E T 为2.119mv,在查表得实际温度为52.5°C 。
