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基于K型热电偶的数字式温控仪设计
李敏;孟臣
【期刊名称】《自动化仪表》
【年(卷),期】2004(025)010
【摘要】介绍了基于K型热电偶的数字式温控仪硬件电路组成及软件流程.该数字式温控仪具有硬件电路结构简单、精度和智能化程度高、人机界面友好等特点.【总页数】3页(P19-21)
【作者】李敏;孟臣
【作者单位】黑龙江八一农垦大学信息技术学院,大庆,163319;黑龙江八一农垦大学信息技术学院,大庆,163319
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.基于K型热电偶的数字式测温仪设计 [J], 梁波;何小刚
2.基于DSP的数字式温控仪设计 [J], 常秀珍;王宝利
3.基于K型热电偶的模糊控制数字式温控仪 [J], 宋凯云;补家武;刘艳妮
4.基于K型热电偶的测温装置设计 [J], 王安敏;孔令布;孟海彦
5.高低温试验设备用SWK1数字式温控仪 [J], 张金根
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K型热电偶测温实验一、实验目的：了解K型热电偶的特性与应用二、实验仪器：智能调节仪、PT100、K型热电偶、温度源、温度传感器实验模块。
三、实验原理：热电偶传感器的工作原理热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两节点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T0，则回路中就有电流产生，见图33-1（a），即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。
图33-1（a）图33-1（b）两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。
当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势E T，其极性和量值与回路中的热电势一致，见图33-1（b），并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。
实验表明，当E T较小时，热电势E T与温度差（T-T0）成正比，即E T=S AB（T-T0）（1）S AB为塞贝克系数，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大小取决于热电极材料的相对特性。
热电偶的基本定律：（1）均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势。
（2）中间导体定律用两种金属导体A，B组成热电偶测量时，在测温回路中必须通过连接导线接入仪表测量温差电势E AB （T，T0），而这些导体材料和热电偶导体A，B的材料往往并不相同。
在这种引入了中间导体的情况下，回路中的温差电势是否发生变化呢？热电偶中间导体定律指出：在热电偶回路中，只要中间导体C两端温度相同，那么接入中间导体C对热电偶回路总热电势E AB（T，T0）没有影响。
（3）中间温度定律如图33-2所示，热电偶的两个结点温度为T1，T2时，热电势为E AB（T1，T2）；两结点温度为T2，T3时，热电势为E AB（T2，T3），那么当两结点温度为T1，T3时的热电势则为E AB（T1，T2）+ E AB（T2，T3）=E AB（T1，T3）（2）式（2）就是中间温度定律的表达式。
k型热电偶实验报告结论
K型热电偶实验是用来测量温度差的实验，它通过使用K型热电偶来测量温度差。
实验报告结论可能包括:
1.测量的温度差符合预期。
2.使用K型热电偶是一种有效的温度测量方法。
3.温度差的测量值可能会受到环境温度的影响。
4.K型热电偶的精度和稳定性是有限的,因此需要定期校
准。
5.在实验中使用其他温度测量方法进行比较和验证,可以
提高实验结果的可靠性
6.如果有需要，可以对实验结果进行数据处理和分析,以
获得更为精确的结论。
7.在实验过程中,需要注意热电偶的线路连接,避免电流
过大或过小,导致误差。
8.K型热电偶不能在高温环境下使用，实验温度范围需要
满足热电偶的工作范围。
9.实验结果可以用来验证热力学理论，如热力学第二定
律。
10.实验结果可以用来设计和优化工程系统,如热交换器，
热力机等。
总之，K型热电偶实验是一种重要的温度测量方法，它可以提供准确的温度差数据，为热力学研究和工程设计提供有效的支持。
但同时也需要注意实验过程中的细节,以保证实验数据的准确性。
k型热电偶实验报告K型热电偶实验报告摘要：本实验通过使用K型热电偶测量不同温度下的电压值，验证了热电偶的工作原理和温度测量的准确性。
实验结果表明，K型热电偶可以准确地测量不同温度下的电压值，为工业生产和科研实验提供了可靠的温度测量手段。
引言：热电偶是一种常用的温度测量仪器，其工作原理是利用不同金属之间的热电效应来测量温度。
K型热电偶是其中一种常用的热电偶类型，具有较广的测量范围和较高的测量精度。
本实验旨在通过测量K型热电偶在不同温度下的电压值，验证其温度测量的准确性。
实验方法：首先，我们准备了K型热电偶和数字温度计，并将K型热电偶的两端连接到数字温度计上。
然后，我们将K型热电偶依次放入不同温度的水中，记录下每个温度下的电压值。
最后，我们将实验数据整理并进行分析。
实验结果：经过实验测量和数据分析，我们得到了不同温度下K型热电偶的电压值。
实验结果表明，K型热电偶可以准确地测量不同温度下的电压值，并且具有较高的测量精度。
这为工业生产和科研实验提供了可靠的温度测量手段。
讨论：本实验结果验证了K型热电偶的工作原理和温度测量的准确性。
在实际应用中，K型热电偶可以广泛用于各种温度测量场合，如化工生产、电力设备、实验室科研等领域。
同时，我们也发现在实验过程中，K型热电偶的测量精度受到外界环境和测量装置的影响，需要在实际应用中加以注意和调整。
结论：通过本实验，我们验证了K型热电偶在不同温度下的电压测量值，证明了其具有较高的温度测量精度和可靠性。
K型热电偶在工业生产和科研实验中具有重要的应用价值，可以为温度测量提供可靠的技术支持。
同时，我们也认识到在实际应用中需要注意外界环境和测量装置对测量精度的影响，保证温度测量结果的准确性和可靠性。
白城师范学院学报Journal o£ Baicheng Normal University第33卷第4期2019年4月Vol. 33, No. 4Apr. ,2019一种基于K 型热电偶的精密测温系统徐朝胜，闫改珍，国海,吴祥飞，张健，郑磊(安徽科技学院电器电子工程学院，安徽凤阳233100)摘要:温度控制广泛应用于化工、冶金、制药、航天、导弹试射等领域，工作环境存在温 度的剧烈变化和复杂的强电磁干扰，对设备工作的精确度、稳定性和可靠性提出了严格要求•针对高精度温度测量需求，本文设计了一种基于K 型热电偶精密测温系统.系统以AD8495为核心，利用HCNR201线性光耦进行隔离,AD7790转换器件完成AD 转换和上位机通信功能•样机性能测试结果表明：该系统可以实现测温精度高于土 0.05 °C,具有±0.015七的分辨率.关键词：K 型热电偶；精密测温;AD8495中图分类号:TH811 文献标识码:A 文章编号：1673-3118 (2019 )04-0018-060引言温度控制广泛应用于化工、冶金、制药、航天、导弹试射等领域，对系统安全、生产效率、产品质量、节能减排等重大技术指标有着直接影响•同时，应用于上述领域的系统多工作于极端环境，存在温度的剧烈变 化和复杂的强电磁干扰，对设备工作的精确度、稳定性和可靠性提出了严格要求热电偶测温范围广，在-50七至+ 1600 T 范围内均可连续测量，某些基于特殊材料的热电偶低温可延拓至-269七，而高温则可达+2800 ©同时，由于热电偶可以直接与被测物体接触,有可能获得较高的测温精度，能够很好地 满足上述系统的应用需求,但系统实测精度及可靠性有赖于电路设计•本文设计了一种基于K 型热电偶 的测温系统，具有可靠性高、精度高、设计简单、通用性强等优点，具有较高的应用和推广价值.1测温系统设计基于K 型热电偶测温系统如图1所示.系统利用K 型热电偶温度传感器实时感知温度，热电偶输出经外部RFI 滤波器消除高频共模和差分噪声后接入仪表放大器AD8495,进行前置放大及K 型热电偶的 冷端补偿,再由后置低通滤波器解决其他的残余噪声•为了提高系统的稳定性与可靠性，避免外界电磁干扰信号对后级电路产生影响，信号经过线性光耦隔离器件HCNR201进行接地隔离后接入模数转换器件AD7790,温度转换为数字信息后通过AD7790的串行外围接口(SPI)接入单片机进行转换和显示处理.1.1 信号调理电路设计信号调理电路以AD8495为核心，如图2所示.AD8495为集成K 型热电偶参考结点温度补偿的精密仪表放大器，固定增益为122,电压输出精度为5 mV/T.⑷由于热电偶产生的电压信号很小,在通过补偿导线接入AD8495过程中会引入射频干扰噪声和线路串扰噪声•高频噪声若不滤除，经由AD8495放大输出，会表现为温度的波动变化，从而影响测温系统的精 度与稳定性.射频干扰抑制由图2中R|,R2,G,C2,C3构成的滤波电路完成，其中，R i = R 2 = R = 100 Q,G=C2=C=0.01 |ji F,C3=1 |jl F.滤波电路的共模截止频率為与差模截止频率分别由式(1)确定.收稿日期:2018 -08 -21作者简介:徐朝胜(1977—),男，副教授，硕士，研究方向：嵌入式系统与应用.基金项目：安徽省高等学校自然科学研究重点项目(KJ2017A501).一种基于K型热电偶的精密测温系统电路兮K型热电偶图1基于K型热电偶的测温系统图2信号调理电路f cm=l/2TrRC f dm=l/2TrR(C+2C3)(1)由式(1)可得,电路的差模截止频率彳週为792Hz,相应的共模截止频率蔦为159kHz,即对于频率大于792Hz的差模电压和频率大于159kHz的共模电压成分具有很好的衰减作用，可以有效地滤除信号里叠加的咼频噪声.为了消除电路中的线路串扰噪声，在放大器AD8495后级电路设计了一个以运放AD822为核心的二阶低通滤波电路，其中出=Rs=R=2kQ,G=C?=C=0.1m F,二阶低通滤波的截止频率为f H-0.64/ (2tt RC)=509Hz.R6=R4+R5=4k0,二阶低通滤波器的通带增益为1,即模块AD822输出电压U A即为AD8495输出.1.2线性光耦隔离电路设计为了对AD8495的输出进行线性传输而不把现场的噪声干扰引入控制系统，必须将温度采集的模拟电压信号与控制系统进行线性隔离•本系统采用线性光耦HCNR201进行隔离•线性光耦与普通光耦的隔离原理差别不大，不同在于线性光耦增加了一个用于反馈的光电二极管,通过反馈电路的非线性抵消直通通路的非线性,实现线性传递,大大增加了线性区域.以HCNR201为核心的线性隔离电路如图3所示•由于光耦隔离器件是电流器件，所以在信号进入光隔离器件前首先进行电压-电流变换，信号离开光隔离器件后则进行了电流-电压变换•同时，为了减少光隔离器件与前后电路间负载的相互影响，在末级电路增加了一级电压跟随器•图3中所示隔离电路传递函数如式(2)所示.U B=U A-K-R8/R7(2)白城师范学院学报第33卷第4期其中R7=R8,K为光耦的传输增益，典型值为1.由公式(2)得出，本系统通过图3实现了热电偶经AD8495输出后增益为1的隔离输出.1.3A/D转换电路设计A/D转换电路示意图如图4所示•本系统中A/D转换器件选用AD7790,其内置一个低噪声16位2-△型ADC,—路差分输入可配置为缓冲或无缓冲模式，一个增益可设置为1、2、4或8的数字PGA.图4中AD8476用于将单端输入变换为双端输出，与AD7790的输入匹配.R10,R n,C9,C10,C n用于滤除高频噪声，提高ADC转换精度.图4A/D转换电路AD7790输出码为偏移二进制码，任意模拟输入电压的输出码可表示为：Code=2n_1•(A in•Gain/V REF+1)(3)其中,A"为模拟输入电压,Gain为PGA增益，本系统中设置为1,n为16,是数字输出的位宽，AD7790的参考电压V耐设置为2.5V.在本设计中，由于A in=U b-2.5,则可得U B与ADC数字输出的对应关系为：U B=V ref•Code/2n_1=0.07629X Code(4) 2刻度标定2.1标定方法热电偶电压输出对温度进行标定的方法有两种:一种是输出查表法,一种为公式法•本系统采用的是查表法•下面以AD7790输出数据416为例,说明温度标定过程：(1)将AD7790输出416代入公式(4)得AD8495输出电压为31.73664mV；(2)由AD8495固定增益122可得热电偶输出电压V为0.2490mV；(3)查表1所示的K型热电偶电动势表得到所属温度区间，丁?)及电势区间(忆,V2);一种基于K型热电偶的精密测温系统表1K型热电偶ITS-90电动势表⑸°C01234567891000.0000.0390.0790.1190.1580.1980.2380.2770.3170.3570.397100.3970.4370.4770.5170.5570.5970.6370.6770.7180.7580.798 200.7980.8380.8790.9190.960 1.000 1.041 1.081 1.122 1.163 1.20330 1.203 1.244 1.285 1.326 1.366 1.407 1.448 1.489 1.530 1.571 1.61240 1.612 1.653 1.694 1.735 1.776 1.817 1.858 1.899 1.941 1.982 2.023(4)按照公式(5)对温度进行线性外推.T=T"苇寻•(V-VJ(5)由表1知匚=6°C,T2=7=0.238,V2=0.277,代入式(5)可得当前温度T=6.282°C.2.2刻度标定的软件实现基于2.1节刻度标定方法,单片机中的刻度标定功能实现步骤如下：(1)基于表1定义K型热电偶电动势表TEMP_TAB；(2)编写函数Get_Raw_Data()实现AD数字输出到热电偶的电压输出的转换,如下：float GET_RAW_DATA(unsigned int raw_data){float raw_temp=0；float thermo_data=0；raw_temp=(float)raw_data；raw_temp=raw_temp*0.07629；thermo_data=(raw_temp-0-1.25)/122.4；returnthermo_data；(3)编写函数Deal-Data()进行查表并进行温度线性外推.float DEAL_DATA(float thermodata)jfloat current_temp=0；int index_s,index_m,index_e；float*P_TAB=&TEMP_TAB[0][0]；index_s=0；index_e=HANG*LIE-1；index_m二(index_s+index_e)/2；while(1)jif(P_TAB[index_m]<thermodata){index_s=index_m；else|白城师范学院学报第33卷第4期if(P_TAB[index_m]==thermodata)|current_temp=(index_m/L IE)*10+index_m%LIE；break；index_e=index_m；!!index_m二(index_s+index_e)/2；if(index_e==index_s+1)jif(P_TAB[index_e]<thermodata){current_temp二(index_e/LIE)*10+index_e%LIE；；}else jcurrent_temp=(1/(P_TAB[index_e]-P_TAB[index_s]))*(thermodata一P_TAB[index_s])+(index_s/LIE)*10+index_s%LIE；；break；!return current_temp；!3测试系统在系统测试时,本文以冰水混合物和精度为0.01T的恒温槽为参考标准,测试数据通过实验板上串口通信电脑,形成数据文档•图5是参考温度为6£的测试数据，测试时间为30分钟，每分钟采集20个数据点，共测615个数据点.400161121181241301361421481541601图5温度为6T的数据采集系统开始运行1分钟内采集1~20个点,数据有较大幅度跳变，跳变量约为15,小于0.5而系统运行1分钟稳定后,在后面30分钟的测量时间段内，数据稳定在413.7541左右，最大值416,最小值410,最大误差约为0.01.图6为温度从20.79T到5七变化时的动态数据变化采集图，采集时间为60分钟，一分钟采集20个数据点，共测1665个数据点,AD采集数据变化范围从1441到359.图6中可以看到温度测量数据具有很好的线性关系，并且严格按照每度AD采集数据在65左右变化,相应的温度分辨率为0.0153证明了系统的可行性.一种基于K型热电偶的精密测温系统图6温度从20.79T到5T的数据采集4结论本文以AD8495为核心，以K型热电偶温度传感器为测温元件，设计了一种精密测温系统.本系统性能测试结果表明:该设计测温精度可达±0.05具有土0.015十的分辨率•实际应用证明本系统具有高精度的温度测量,设计简单，可靠性强,工作性能稳定,基本不受外界影响，并且测温电路在加入电子多路选择开关后可以同时测量多个温度点,极大地节省了成本，可满足科学研究、医疗保健及工业场合较高的精度要求，具有很高的应用价值.参考文献：[1]易先军，丈小玲，刘翠梅.基于餡电阻的温度高精度测量研究[J].传感器与微系统,2009,28(1)：49.[2]乔鑫.基于热电偶传感器的温度采集系统设计[D].西安：西安电子科技大学,2012.[3]方雄，梁成丈，李凯扬.PtlOO的精密恒温水箱测控系统设计[J].传感器与微索统,2017,36(4)：100,[4]ANALOG DEVICES.Precision Thermocouple Amplifiers with Cold Junction Compensation[EB/OL].http://www.analog,com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8494_8495_8496_8497.pdf.[5]ITS-90Table for type K thermocouple[EB/OL].https：///its90/download/type_k.tab.Design of Precise ThermometricSystem Based on K Type Thermocouple XU Chao-sheng,YAN Gai-zhen,GUO Hai,WU Xiang-fei,ZHANG Jian,ZHENG Lei(College of Electrical and Electronic Engineering,Anhui Science andTechnology University,Fengyang233100,China)Abstract:Temperature control is widely used in chemical,metallurgical,pharmaceutical,aerospace,missile test and other fields.There are drastic temperature changes and complex strong electromagnetic interference in the working environment,which put forward strict requirements for the accuracy,stability and reliability of the equipment.To meet high precision thermometric requirement,A K-type thermocouple based thermometric system with high accuracy is designed in this paper.The system takes AD8495as the core devices,HCNR201linear optical coupler for isolation and AD7790converter to complete the AD conversion and communication with host computer.The performance test results of the prototype show that the temperature measurement accuracy of the system is higher than0.05兀，with the resolution of0.015兀.Keywords:K Type thermocouple；precise thermometric system；AD8495责任编辑:李玉波。
K型热电偶的温度控制实验一、实验目的了解K型热电偶的特性与应用。
二、实验所用单元加热源、K型热电偶（温度控制用）、K型热电偶（测量用）、温度控制单位、温度传感器实验板、数字电压表、万用表（自备）三、实验原理及电路当两种不同的金属组成回路，如二个接点处的温度不同，在回路中就会产生热电势，这就是热电效应。
温度高的接点称为工作端，置于被测温度场，温度低的接点称为冷端（或自由端），冷端的温度为恒温，一般为室温或补偿后的0℃或25℃。
热电偶实验原理图如图24-1所示。
K型热电偶接至差动放大器的输入端，经放大后输出电压由数字电压表显示。
图24-1 K型热电偶温度控制实验原理图四、实验步骤1、仔细阅读附录中的“温度控制仪表操作说明”，学会基本参数设定。
2、将温度控制用的热电偶插入加热源的一个传感器安置孔中，热电偶自由端引线插入面板中的热电偶插孔中，红线为正极。
3、将加热源的两根电源线与面板上的AC16V电源插孔相连。
4、将E、G两端短接并接地，接通电源，调节RP3使OUT2为零，然后断开E、G之间的短接线。
5、按照图24-1进行接线，测量用的K型热电偶放入加热源的另一个插孔中，两根引出线接至电路板上E、G两端，注意引出线带红色套管或红色斜线的为正极，接至E端。
6、设定温度控制仪的给定值为50℃，接通加热开关，等待温度稳定时，调节Rw2使数字电压表指示值为K型热电偶50℃下分度值的100倍，以便读数（K 型热电偶50℃时的分度值为2.022mV），重新设定温度给定值为52℃，等待温度稳定时记录下数字电压表读数，重复进行以上步骤，温度给定值每次增加2℃，将实验结果记入下表中。
表24-1五、实验报告根据表24-1的实验结果，画出K型热电偶的特性曲线，并计算K型热电偶的非线性误差。
---文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印---英文摘要 (2)1 绪论 (3)1.1研究背景及意义 (3)1.2国内外研究现状 (3)1.3研究主要内容 (4)2 基于K型热电偶的温度测量系统总体设计 (6)2.1设计要求 (6)2.2总体方案 (7)2.3功能介绍 (6)3 基于K型热电偶的温度测量系统硬件设计 (8)3.1核心控制系统设计 (8)3.2温度采集系统设计 (9)3.2.1K型热电偶传感器 (9)3.2.2 ADC转换模块 (11)3.3LCD显示系统设计 (12)3.4电源模块电路设计 (14)4 基于K型热电偶的温度测量系统软件设计 (15)4.1主程序流程 (15)4.2温度采集流程 (16)4.3显示程序流程 (16)4.4软件仿真 (17)4.4.1仿真环境 (17)4.4.2工作流程 (18)4.4.3仿真结果 (19)5 结论 (21)谢辞 (22)参考文献 (23)基于K型热电偶的温度测量系统设计摘要：K型热电偶不接触被测物中，目的是避免热平衡状态的变化，测量的敏感，响应速度快，良好的响应特性，常用于检测1000℃以上运动中的高温物体。
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。
