毕业设计（论文）-基于MCS51的多功能温度测量仪.doc

第1章 绪论1.1引言 “工欲善其事，必先利其器”，这是中国的一句古话，人们早就知道工具的重要性。随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们对仪器仪表作用的认识愈加深入。作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。而温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着工业的不断发展，对温度测量的要求越来越高，而且测量的范围也越来越广，对温度的检测技术的要求也越来越高。因此，温度测量和温度测量技术的研究也是一个重要的研究课题。 在冶金、化工、电力、机械和食品生产中都需要对温度进行测量和控制。尤其是在炼钢的过程中，温度更是一个至关重要的参数，它直接关系到一炉钢铁能否练成，以及钢铁的内部质量的好坏。因此，合理的钢水温度范围以及准确地测量生产过程中的钢水温度对提高产品的质量、产量，降低消耗和实现冶金自动化，均有积极作用。测量钢水温度的检测环境极为恶劣，尤其是转炉过程中，钢铁在融化状态下，温度可达1500-1700摄氏度，有时甚至超过 1750摄氏度。而且在测量的过程中，钢水液面不断的激烈搅动，强烈冲刷传感器，这些都对钢水温度的测量产生了强大的干扰。因此，在类似于钢水温度测量的特种温度测量的场合中，对传感器和测量仪表都有严格的特殊要求。1.2国内外测温状况 随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也不断地进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法2l1.2.1利用物体热胀冷缩原理制成的温度计 利用此原理制成的温度计大致分成三大类: 1)玻璃温度计，它是利用玻璃感温包内的测温物质(水银、酒精、甲苯、煤油等)受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的; (2)双金属温度计，它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在一起制成的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片，由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度; (3)压力式温度计，它是由感温物质(氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等)随温度变化，压力发生相应变化，用弹簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。1.2.2利用热电效应技术制成的温度检测元件 利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用的热电偶有以下几种: (1) 镍铬镍硅，型号为WRN，分度号为K，测温范围0-900 ，短期可测1200 。 (2) 镍铬康铜，型号为WRK，分度号为F，测温范围0-600 ，短期可测800 。 (3) 铂姥铂，型号为WRP，分度号为S，在1300 以下的温度可长期使用，短期可测1600 . (4) ，型号为WRR，分度号为B，测温范围300-1600 ，短期可测 1800 。 其他还有非常用的热电偶。1.2.3利用热阻效应技术制成的温度计 用此技术制成的温度计大致可分成以下几种: (1)电阻测温元件，它是利用感温元件(导体)的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有铂热电阻(分度号为Pt100、Pt10两种)和铜热电阻(分度号有Cu50、Cu100两种)。(2)导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大副温度系数，也就是说温度升高时，其阻值降低。他们的关系为式中在温度T(K)时的电阻值()； 在温度(K)时的电阻值()；自然对数的底，等于2.781；常数，其值与半导体材料的成分和制作方法有关。(3) 陶瓷热敏元件它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制作而成的热敏元件，常称为PCT或NCT热敏元件。PCT热敏元件分为突变型及缓变型二类。突变型PCT元件的温阻特性是当温度达到顶点时，它的阻值突然变大，有限流功能，多数用于保护电器。缓变型PCT元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大，起温度补偿作用。NCT元件特性与PCT元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值减小。1.2.4利用热辐射原理制成的高温计 辐射测温在近年相对其他的测温领域显得活跃些，热辐射高温计通常分为两种：一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计；另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射。而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的。1.2.5利用声学原理进行温度测量 声学法温度检测技术是近年来发展起来的一项新技术，利用该技术，可以对炉内的烟气温度测量值和火焰分布在线检测，判断炉的燃烧状况，进行实时调节和控制。声学温度检测技术的基本原理是通过测量声波传感器间的声波传播时间以最小二乘原理重建温度的测量方法。1.2.6利用红外测技术温红外测温技术是通过检测物体表面能量来检测物体温度的。1.3国内外仪器仪表发展状况 科学的发展，往往是由于新的观测手段的发现而获得的。从今天进入信息时代来看，仪器仪表是实现信息的获得、转化、存取、处理和揭示物质活动规律的必要工具，是当今普遍称之为时代标志的信息科技的三大支柱 (信息获得与处理，信息传输与通信，电子技术及计算机)的必要手段，也是新技术革命的一项重要内容。在现代化建设中，人们对仪器仪表因其对产品质量所起到的监测作用，在技术上有着高层次的要求，因而仪器仪表工业是促进国民经济各部门技术进步，进行技术改造，提高劳动生产率和社会经济效益，开发与节约能源和材料的先导工业，仪器仪表的装备水平在很大程度上反映出一个国家的生产力的发展和科学技术的现代化水平。 根据仪器仪表所采用的显示方式和功能，可以将仪器仪表分为三代产品，即模拟仪器仪表，数字式仪器仪表和智能化仪器仪表。1.3.1模拟式仪器仪表 这种仪器仪表至今仍在各种场合被广泛地使用着。这种仪器仪表显示部分地 基本结构是利用电磁力相互作用原理，通过指针相对于标尺的位移来显示最 终测量读数。1.3.2数字式仪器仪表 它具有远较模拟式仪器仪表为高的测量精度与响应速度。这类仪器仪表的基 本原理在于将代测的信号转化数字信号进行测量。今天数字化仪表的增长速 度已远远超过模拟式仪器仪表。1.3.3智能化仪器仪表 这类仪器仪表大致可以分为两类:一类内含微处理器，称为“微机化仪表”， 另一类，仪器本身与微型机在硬件结构上是分开的，但仪器由微型机控制进 行数据采集与处理，成为智能化仪器。智能仪器仪表以微电子器件代替常规 电子线路，以微处理器为核心，具有信息采集，显示，处理，传输及优化控 制等功能，甚至具有辅助专家进行推断分析与决策的能力。智能化仪器仪表 一出现就显示了它的强大生命力，现已成为80年代来仪器仪表发展的一个主要方向。1.4正在研究的温度检测技术 近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。1.4.1晶体管温度检测元件 半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系比金属大12个数量级，二级管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理己研制了各种温度检测元件。1.4.2集成电路温度检测元件 利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系 (即半导体PN结的温度特性)进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。目前，国内外也进行了生产。1.4.3核磁共振温度检测器 所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温度检测器。这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可作理想的标准温度计之用。1.4.4热噪声温度检测器 它的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性。其特点是： (a) 输出噪声电压大小与温度是比例关系； (b) 不受压力影响； (c) 感温元件的阻值几乎不影响测量精确度； 所以它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。1.4.5石英晶体温度检测器它采用LC或Y型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制作的。它利用P技术，自动补偿石英晶片的非线性，测量精度较高，一般可检测到0.001，所以可作标准检测之用。1.4.6光纤温度检测器在常规办法无法测量的场合，光纤测温得到较快发展。光纤温度检测器是目前光纤传感器中发展较快的一种，己开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。(1)利用双折射光纤的传输光信号滞后量随温度变化的原理制成的双折射光纤温度检测器，检测精度在 1以内，测温范围可以从绝对02000 .(2)利用喇曼反向散射效应测量温度分布用以检测埋于地下的油、气管线的泄漏。(3)利用荧光衰减时间法测温。1.4.7激光温度检测器激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量。用氦氖激光源的激光作反射计可测得很高的温度，精度达1%；用激光千涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达3000 ，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。1.4.8微波温度检测器采用微波测温可以达到快速测量高温的目的。它是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为250kHz/ ,精度为 1%左右，检测范围为201400 。1.4.9纯贵金属热电偶的研究由两种纯金属组成的热电偶，因其材料均匀性远优于合金材料，因而稳定性好的多。在铂铭合金热电偶(S、R型)的不确定度已很难提高之后，人们开始寻找由纯贵金属组成的热电偶，以代替S和R型热电偶，作为传递的标准。1.4.10信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表现代的工业过程自动化系统是现场总线控制系统，它是信息技术进入工业自动化后出现的新一代的自动控制系统。现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自控装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。所有的现场仪表(温度检测仪表是其中一种)均接到现场总线上。在这样的系统中，通常不应使用各有不同输出的温度计，必须将输出转变成统一的电信号，这样“温度计”就变成了“温度变送器”。在现场总线控制系统中的温度变送器主要是热电偶变送器和热电阻变送器，也有辐射温度变送器。1.5国内外钢水温度检测方法目前，对钢水的温度测量主要有间断法测温和连续测温两种方法1.5.1间断法钢水温度测量国内所有的和国外绝大多数钢铁企业均采用一次性消耗式热电偶间断测量钢水温度。间断法进行钢水温度测量主要有两大类:接触法和非接触法。在接触法中，用热电偶测量钢水温度具有测量准确、可靠、简便等优点。用热电偶测量钢水温度，除了需要耐高温、抗氧化的热电偶外，还要求有抗钢渣侵蚀及热冲击的保护管，或者研制出能够短时间经受高温钢水侵蚀和冲击的专用热电偶和特殊方法。前者是研制新型保护管和热电偶，而后者则是采用小惰性结构的浸入式或投入式热电偶，能在烧毁前迅速地测量出钢水温度，如快速热电偶或副枪浸入式热电偶等，而动态测温则是一种特殊的测量方法。下面分别叙述各种方法的特点及其应用。(1)浸入式热电偶浸入式热电偶是各国普遍采用的热电偶。根据被测对象的不同，其结构也有差异，但其基本结构是把热电偶装在一根较长的钢管中，热电偶的测量端要焊接或绞接起来，热电极用瓷柱或刚玉管绝缘，为能经受钢水及炉渣的高温浸蚀，钢管的前端套有石墨管。在保证测量准确度和不损坏枪体的情况下，应力求轻便，依据测量范围可选用下列不同的测温元件:(a) 热电偶。当温度高于1300时常选用S型、B型、WRe3-WRe25、WRe5 WRe26热电偶等；当温度低于1300时，可选用N型或K型热电偶。热电偶丝直径一般为0.30.8 mm。(b) 保护管。浸入式热电偶采用的保护管有石英管(短时间可用至1700)、 金属陶瓷保护管，有时也用氧化物、硼化物保护管等。无论何种保护管， 其抗震性必须好，否则要经预热后才能慢慢地浸入钢水中。为了减少导热 误差，保证测量准确，保护管应有足够的插入深度。(c) 显示仪表。可选用电子电位差计，仪表的量程应根据选用的热电偶和测量范围而定，指针的全行程时间要小于2.5秒。仪表的准确度应不低于0.5级动圈式仪表通常不能满足上述要求。国外浸入式测量仪已经数字化，可以给出清晰的四位显示，准确度达1，并具有峰值保持装置，即使从熔体抽出来后，仍保持测得的温度数值。由于采用干电池供电，使用十分方便国产浸入式温度仪也已经朝数字量方向发展。沈阳气动仪表四厂生产的浸入式乌徕热电偶测温仪，可用于铸造行业测量铁水与钢水温度。也可用于铁合金及其它有色金属熔体的温度测量。(2)快速热电偶快速测量金属熔体温度的热电偶，简称快速热电偶，它是专为测量钢水、铁液及其它金属熔体温度而设计制造的。世界上许多国家都用此种热电偶测量金属熔体温度。快速热电偶的工作原理和一般热电偶相同。快速热电偶主要包括普通快速热电偶、无喷溅快速热电偶、感应炉用微型快速热电偶.(3)副枪浸入式热电偶氧气顶吹转炉炼钢的特点是，吹炼时间短，反应激烈，终点温度不宜控制。为了适应生产发展的需要，已经开始采用电子计算机控制转炉炼钢，在此就必须使用副枪浸入式热电偶。所谓副枪，是在氧枪的另一侧设置的水冷枪，枪头上安装了可更换的探头。副枪使用的探头有三种形式：测温探头、复合探头 (测量温度和含碳量)和多用探头 (既能测温又能测量氧含量)。用副枪测出的钢水温度及碳含量由仪表自动记录、打印或经便送器转换成统一信号送至计算机，作为冶炼过程的参数。副枪浸入式热电偶的突出优点是，可在转炉吹炼过程中进行测量，不必停吹或倒炉，是实现转炉炼钢自动化的关键性测试技术。(4)动态测温法动态测温技术是一种新的测温方法，各个国家都在积极进行研究。它的特点是：在非稳态导热过程中，测出传感器的温度随时间变化的函数关系(动态曲线)，然后依据一定的数学模型，利用电子计算机推算出被测熔体的实际温度。由于传感器测温时不需要达到热平衡，所以，测温速度较快，既可以用普通热电偶代替贵金属热电偶，降低测温成本，又可降低对保护管材料耐高温、抗腐蚀的苛刻要求。动态测温的缺点是利用外推法计算实际温度，准确度难以提高。此种方法适用于2000以上的超高温度测量，其优越性才能得到发挥。这种新的测量方法有待于进一步发展、完善。1.5.2钢水连续测温以上所讲述的是间断测量温度，但只有连续测温才能及时反映炉内冶炼过程的温度变化，弥补间断测温的不足。目前，主要采用热电偶加保护管的方法进行连续检测。各国主要用于钢水连续测温的热电偶保护管如表1.1所示。我国转炉钢水温度的测量多采用快速热电偶间断测温，即所谓电测的方法。同点测相比，连续测温有许多优点：随时提供转炉温度；提高炉龄；减少铁合金消耗量；能提供必要的工艺参数。1.6课题研究背景及本文主要内容热电偶是当今钢水温度检测的主要器件。本课题的主要出发点是设计出一种能够通过热电偶来动态测量钢水温度的温度测量系统，考虑到实际使用范围的越广越好，因此要求该检测仪器具有调档的功能，可用于测量不同的被测物质。本文主要讲述了用热电偶测温的主要原理、实际硬件电路的设计、软件设计和误差分析。第1章介绍了温度检测现状和仪器仪表的发展现状。第2章讲述了热电偶测温的主要原理，说明了热电偶实际输出电压和温度之间的关系，以及如何求得总的热电动势。第 3章讲述了单片机系统硬件电路的设计过程，包括一次仪表热电偶的选择及单片机系统的设计。整套仪器是由单片机系统控制的，包括薄膜键盘、LED显示器、通讯接口等。利用热电偶测得温度对应的电压信号，经过必要的放大与A/D处理后，由单片机处理所得数据，最后把结果显示出来。其中，电路的设计是整篇课题设计的难点，投入了巨大的经历。第 4章讲述了仪器的软件设计，给出了软件流程图。第 5章进行了误差分析，分析了产生误差的各种因素，这将有助于今后对系统的改进，以进一步提高系统的测量精度。第6章讲述了通过本仪器所得的结论并对未来的发展提出了新的展望。第2章 热电偶测温的基本原理2.1方案的提出温度检测有许多方法，但考虑到实际应用于高温测量，同时要将温度信号转变成电信号来处理，因此采用热电偶来作为检测系统的一次仪表。热电偶结构简单、容易制造、价格便宜、准确度高、测温范围广，目前在大量的热工仪表中，热电偶作为温度传感器，已经得到了广泛的使用。2.2热电偶测温的基本原理热电偶是热电温度计的敏感元件。它的测温基本原理是基于金属导体的热电效应。热电效应产生的电势是由三种不同的效应引起的，即赛贝克效应、珀尔帖(Peltier)效应和汤姆逊 (Thomson)效应。(1)赛贝克效应1821年由赛贝克发现的热电现象。两种不同的物体A和B连接在一起，构成一个闭合回路，当两个接点1和2的温度不同时(见图2.1)，如TTa，在回路中就会产生热电动势，此种现象称为热电效应。该热电动势就是著名的“赛贝克温差电动势”，简称“热电动势”，计为。导体A. B称为热电极。接点1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。接点 2要求温度恒定，称为参考端。热电偶就是通过测量热电动势来实现温度测量的(2)珀尔帖效应 各种导体中都存在着大量的自由电子，不同导体自由电子的密度也不同，当两种金属连接在一起时，在结点处就要发生电子扩散，电子密度大的金属的自由电子就要向电子密度小的导体扩散。这时电子密度大的金属由于失去电子而具有正电位；相反，电子密度小的金属由于获得了扩散来的多余电子而带负电，这种扩散一直到动态平衡为止。(3)汤姆逊效应 对于单一均质导体，当两端温度不同时，两端也将有一定大小的电势。产生的原因是在不同的温度下，自由电子具有不同的动能，温度高时动能大，动能大的电子就会向温度较低的一端跑去，所以在同一导体内当两端温度不同时，两端也会产生一定的电位差 (汤姆逊电势)。此现象称为汤姆逊效应 (是可逆的)。2.3热电偶闭合回路的总热电动势 热电偶产生的热电动势实际上是由接触电势和温差电势所组成。接触电动势是由于两种不同材质的导体接触时产生的电势，而温差电势则是对同一导体当其两端温度不同时产生的电势。在图2.1所示的闭合回路中，两个接触点有两个接触电势和，又因为，在导体A和B还各有一个温差电势。因此闭合回路总电动势应为接触电势和温差电势的代数和，即所以 （2，1）各接点的分热电势e等于相应的接触电势与温差电势的代数和： （2，2） （2，3）在总电动势中，接触电势较温差电势大得多，因此，它的极性也就取决于接触电势的极性，当时，与总电动势的方向一致，而与总电动势方向相反。所以总热电动势可表示成如下形式： （2，4）由此可见，热电偶回路的总热电动势等于各接点分电动势的代数和： （2，5）对于己选定的热电偶，当参考端温度恒定时，为常数C，则总电动势就变成测量端温度T的单值函数： （2，6）上式表明，当恒定不变时，热电偶所产生的热电动势只随测量端温度的变化而变化，即一定的热电动势对应着一定的温度。在热电偶分度表中，参考端温度均为0 。所以，测量热电动势的办法能够测温，这就是热电偶测温的基本原理。2.4数据采集部分的设计温度作为被测物理量，必须经过测温元件检测。由于采用的不是现成的测温仪表，因此首先应将温度转变成单片机可以处理的信号。在此选择热电偶来完成温度向电压信号的转换。2.4.1热电偶的种类热电偶的分类方法有很多，一般是按热电偶的材料、用途和结构形式进行分类。2.4.1.1根据热电偶材料分类:(1)廉金属热电偶：铜康铜热电偶、铁康铜热电偶、镍铬镍铝热电偶、镍铬镍铜热电偶；(2)贵金属热电偶：铂锗系列热电偶、铱铐系列热电偶、铂铱系列热电偶、铱钉系列热电偶；(3)难溶金属热电偶：钨锌系列热电偶、钨钼系列热电偶、铌钛系列热电偶、铌钨系列热电偶；(4)非金属热电偶：石墨炭化铌热电偶、二硅化钨二硅化钼热电偶、硼化铌炭化锆热电偶、铱钌系列热电偶。2.4.1.2根据热电偶的用途分类：(1)专用热电偶：多点式热电偶、表面热电偶、薄膜热电偶、快速微型热电偶、防暴热电偶；(2)普通工业用热电偶：直形热电偶、角形热电偶、锥形热电偶。2.4.1.3根据热电偶的结构形式分类：专用热电偶：普通型热电偶、恺装热电偶、密封式热电偶、高压固定螺纹式热电偶。2.4.2热电偶类型的选择数据采集部分由热电偶来完成。作为测温的一次仪表，对它的选择将直接影响检测精度。热电偶包括标准化、非标准化以及非金属热电偶，由于本温度检测系统主要用于金属液体温度测量，特别是高温溶液，因此在选择热电偶时热电偶的使用范围、使用气氛尤其重要。本仪器本着通用性出发，设计时考虑到仪器应适合多种热电偶测量，这样能大大提高仪器使用范围，用户可根据不同的测温范围选择相应的热电偶。本系统采用4种传感器，分别是：钨铼3钨铼25热电偶，铂铑30铂铑6 (双铂锗)热电偶，铂铑13铂热电偶以及红外温度传感器。各种热电偶的使用温度限制如表2.1，用户可以根据实际测量温度范围选择合适的热电偶，以便满足使用要求。2.4.2.1钨铼3钨铼25热电偶钨铼3钨铼25热电偶是非标准化热电偶，目前由于生产工艺的改进，国产的该种热电偶的热电极丝均匀性很好，互换性很强，实现了统一分度，并与国际一致。该热电偶的特点是:热电极丝熔点高(3300)，蒸汽压低，极易氧化；在非氧化气氛中化学稳定性好。热电动势大，灵敏度高，价格便宜。钨铼 3钨铼25热电偶的电极丝直径通常为0.20.5mm,精度为1%，也可达0.5%或更高。因此在实际应用过程中，可根据实际要求的精度选择不同精度的本系列热电偶。钨铼3钨铼25热电偶温度上限很高，最高使用温度达到2800，而且稳定性好。钨铼热电偶极易氧化，适于在惰性或干燥氢气中使用，或用致密的保护管使之与氧隔绝才能使用。炼钢过程中的钢水温度高达1700左右，为了能够连续测量高温，必须采用能够耐高温的热电偶，钨徕热电偶长期使用的测量温度上限是2000 ,短期使用时测量上限可达2800，但在高于2300时，数据分散。因此使用最好在 2000以下。因此根据热电偶的特性以及实际使用和安装情况，适当选用该种热电偶进行钢水温度检测。在2000时对应的输出电压是35.707mV。2.4.2.2铂铑30一铂铑6热电偶该热电偶是一种典型的高温热电偶，分度号为B。它的正极为含铑30%的铂铑合金 (BP)，负极为含铑6%铂锗合金 (BN)。两级均为铂铑合金，故称双铂铑热电偶。该种热电偶的特点是，在室温下电动势极小(25时为2V, 50时为 3V)，故在测量时可不用补偿导线，可忽略参考端温度变化的影响。它的长期使用温度为1600,短期使用温度为1800。铂铑6合金的熔点为1820,限制其使用上限。双铂锗热电偶的热电动势率较小，因此，需配用灵敏度较高的显示仪表。该热电偶在最高温度时的输出电压为13.814mV.2.4.2.3铂铑13铂热电偶该热电偶正极为铂铑合金(RP)，负极为纯铂(RN)。同S型热电偶相比，它的热电动势率大15%左右，其他性能几乎完全相同，即准确等级很高，通常用作标准或作为高温的热电偶，它的使用温度范围广、均质性及互换性好。该热电偶常用于高温测量，长期使用温度为1400，最高使用温度为1600，对应的输出电压为18.842mV.2.4.3补偿导线的选择在一定温度范围内，与所用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线称为补偿导线。若与所配用的热电偶正确连接，其作用是将热电偶的参考端延伸到远离热源或环境温度较恒定的地方。通过使用补偿导线，可以改善热电偶测温线路的机械与物理性能，同时降低测量线路的成本。2.4.3.1补偿导线的原理由热电偶测温原理可知，图2.2(a)所示的回路的总电动势为 式中使用补偿导线后的温度。而图2.2(b)回路的总热电动势为如果则 （2，7）2.4.3.2补偿导线的型号与分类 对标准热电偶来说，根据热电偶补偿导线标准 (GB 4989-4990-85)，其型号可分为SC, KC, KX, EX, JX, TX, NX。其中型号头一个字母与配用热电偶的分度号相对应。字母“X”表示延伸型补偿导线。字母“C”表示补偿型补偿导线。其中延伸型补偿导线是指能满足式口(2.1)的条件，又能使式(2.2)成立。即其材质与所配用热电偶的热电极化学成分相同.补偿型补偿导线是指能满足式(2.7)的条件，不能满足式(2.8)的条件。即其材质与所配用热电偶的热电极化学成分不同，它只能在一定温度范围内与热电偶的热电性能一致。 （2，8）2.4.3.3补偿导线的使用原则补偿导线的选用应遵循以下原则：(1)各补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用。(2)补偿导线与热电偶的温度不得超过规定的使用温度范围，通常接点温度在100以下，耐热用补偿导线可达200 (对延伸型补偿导线不应严格限制)。(3)由于补偿导线与电极材料并不完全相同(延伸型除外)，所以，连接点处 两接点温度必须相同，否则会引入误差。(4)使用补偿导线时，切勿将极性接反。2.4.3.4使用补偿导线后的修正现举例说明使用补偿导线后，实际的温度计算。假设采用K型热电偶测温时，电炉的实际温度=1000，仪表的环境温度=20，热电偶参考端温度=50，如果热电偶与仪表之间采用补偿导线和铜线连结，其计算结果如下：先由K型分度表查得=41.269mV, =2.022mV, =0.798mV。当采用补偿导线连接时，根据中间温度定则，其显示仪表所指示的热电动势应为测量端与补偿导线自由端热电动势之差： =41.269-0.798=40.471mV(相当于980)当采用铜线连接时，根据中间金属定则，实际测出得热电动势为: =41.269-2.022=39.247mV(相当于948)由该例可以看出使用补偿导线可以大大提高测量准确性。2.4.4热电偶的冷端补偿2.4.4.1热电偶参考端温度的影响由热电偶测温原理可知热电偶的输出电压 即，热电偶因温度变化产生的热电动势是侧量端温度与参考端温度的函数差，而不是温度差的函数。那么，热电动势就变成测量端温度的单值函数。我们经常使用的分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端温度为0为先决条件的。因此，在使用时必须保证这一条件，否则就不能直接应用分度表。如果参考端温度是变化的，引入的测量误差也是变量。由此可见，参考端温度的变化直接影响测量的准确度。但在实际测温时，因热电偶的长度受到被测介质与环境温度的影响，不仅其参考端温度难以保持0，而且往往是波动的，无法进行参考端温度的修正。因此，要把变化很大的参考端温度所带来的误差，通过采取一定措施予以补偿。2.4.4.2热电偶冷端补偿电路的设计由上一节我们知道，在一定温度范围内，补偿导线热电性能与热电偶基本一致。它的作用只是把参考端移至离热源较远或环境温度恒定的地方，但不能消除参考端温度不为零度的影响，因此必须进行冷端补偿。热电偶冷端 (参考端)通常放在室内，其温度为室温，需要对查表得到的温度进行冷端补偿，具体做法是采用AD590集成温度传感器测量室温。AD590是绝对温度/电流变换器。其主要技术指标为：I 测量范围：-55+150；II 电流输出 (标定系数)：1F/K；III电源电压：430V；IV 线性度：在满量程范围内小于0.50；V 重复性：0.1；VI 输出阻抗：约为10m；VII长期漂移：0.1/月；这种器件以电流作为输出量，其典型的电流温度灵敏度是1A/K。它是两端器件，使用非常方便。作为一种高阻电流源，不需要考虑传输线上电压信号损失和噪声的干扰问题，因此特别适合做远距离测量或控制应用。出于同样理由，AD590也特别适合用于多点测温系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引入的附加电阻造成的误差。由于采用独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光微调技术作最后的标定，具有很高的精度。当AD590两端加4V+30V电压时，呈现高阻抗，其输出温度与绝对温度成正比，能够保证在298.2K (25)时输出的电流为298.2A，是一个线性温度恒流源。冷端温度测量放大电路如图2.3所图中，在AD590后采用一般运放构成增益为1的缓冲器 (跟随器，以提高输出带负载能力，其输出经放大27倍后得到010V之间的数值，然后再经多路转换开关送到模数转换器输入端。单片机测得冷端温度加上查表所得温度即为热电偶测得的实际温度值。2.4.5绝缘物与保护管的选择在用热电偶测温时，除测量端以外的各个部分之间均要求有良好的绝缘，否则热电偶会因热电极短路而引入误差，甚至无法测量。绝缘物的作用是使两根热电极丝相互电绝缘，并保持一定的机械强度。热电偶的绝缘材料很多，大体分为有机和无机绝缘材料两类.处于高温端的绝缘物必须采用无机物。通常，在 1000以下选用粘土质绝缘瓷管；在1300以下采用高铝质绝缘瓷管；在1600以下选用刚玉质绝缘瓷管。绝缘管的规格有单孔、双孔和四孔等，在此我们选用单孔，用于单支热电偶。为了使热电极不直接与被测介质接触，通常采用保护管。它不仅可以延长热电偶的使用寿命，还可以起到支撑和固定热电极、增加其强度的作用.因此热电偶保护管选择是否合适，将直接影响热电偶的使用寿命和测量的准确度。作为热电偶保护管材料，主要有金属、非金属和金属陶瓷三类。在进行非钢水温度测量的情况下，测量环境相对较好，可以根据温度选用相应材料的、能满足要求的保护管以降低成本。常用保护管材料及使用条件如表2.2所示在本设计中，进行钢水温度测量时采用金属陶瓷热电偶保护管和铝碳质防护管、热电偶共同组合成分体组合式测温探头。其结构示意图如图2.4所示。其中金属陶瓷保护管是钢水连续测温的关键部件，它插入钢水长期连续工作。工作环境恶劣，因此要求它耐高温、抗钢渣熔融、耐冲刷、抗震性好、测温灵敏度高。该金属陶瓷保护管采用MC93G型的金属陶瓷材料，壁厚3.5mm，具有下述良好的使用性能:(1)耐高温、寿命长。能在15001650钢水中长期工作，埋入式使用条件下最高寿命达55h，一般为3040h，在从钢水上面插入条件下使用，其寿命为10h以上，使用最高温度达1800。(2)测温灵敏度高。该金属陶瓷管采用适当比例的导热性能良好的金属材料 Mo为主体、以为陶瓷相，并掺加适量的和少量的其他添加物均匀混合，在等静压机的高压作用下成型，在 1900的高温下烧制而成。因此所制成的保护管不仅导热性良好，而且强度高、密度大、耐磨、耐高温等。管壁很薄，有良好的导热效果。(3)抗震性能好。反复从15001700的高温钢水中取出和插入10次以上不炸裂，特别是由环境温度直接插入高温钢水里也不发生裂断。第3章 多功能温度测量仪的硬件设计3.1系统总体设计系统示意图如图3.1所示。整个仪器除感温元件热电偶外，主要还由两级放大电路、数据转换电路 (A/D和D/A转换)、单片机、键盘显示电路、时钟电路、通讯电路等组成。感温元件热电偶检测温度后，将温度信号转变成电压信号，由于热电偶的输出电压非常小，因此必须经过放大后才能进行A/D转换。电压信号经过A/D转换后变成数字信号，由单片机进行数据处理及进行相应的显示。3.2单片机介绍目前，单片机的种类很多，MCS-51 8位单片机系列、MCS-96 16位单片机系列，还出现了32位单片机。位数越高，运算速度越快。由于Intel公司的这种MCS系列的经典体系结构、极好的兼容性和其最彻底的技术开放政策，许多电器商、半导体商 (如:AMTEL, PHLIPS, ANANOG DEVICES, DALLAS等)以MCS系列单片机的基本内核为内核开发了众多芯片。其中，以MCS-51系列系统结构为核心的单片机更是品种繁多，统称为8051和80C51 (CHMOS工艺)。本系统在数据处理上速度要求不是很高，8位单片机即可。因此，选用MCS-51系列单片机。考虑到功耗问题 (如:8051功耗为630mw，而80C51为120mw),本系统选用CHMOS工艺的芯片。又因本系统需要处理数量较大的数据，程序占用空间也较大，而对定时器/计数器和中断源的数量要求不多。结合现有的单片机开发系统 (伟福仿真器E6000)，本系统选用80C51系列的80C31.下面对I/O并行口进行说明：P0口：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。共有8条引脚，有两种不同功能。第一种是8031不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，用于传送CPU的输入/输出数据。这时，输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性；第二种是8031带片外存储器，P0口在CPU访问片外存储器时先用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。在本设计系统中，由于程序比较大，故扩展了48KB存储器。属于第二种情况。P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器 地址90H)写入全1，此时P1口引脚由内部上拉为高电平。当P1口作为通用I/O口使用时，P17-P10的功能和P0口的第一功能相同，也用于传输用户的输入或输出数据。在本系统设计中，P1口作为通用I/O口使用。P2口：P2口也是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P2口的每一位能驱动(吸收或输出电流) 4个LS型TTL负载。它也有两种功能。第一功能是可以作为通用I/O口使用；第二功能是和P0口第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但不能象P0口那样传送存储器的读写数据。本设计中，P2口的高3位作为地址线，接地址译码器74LS138的A、B、C引脚。P3口：是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，第一功能和P0、 P1、P2的第一功能相同，第二功能作为控制用，每个引脚功能并不完全相同，如表3.1所示12：3.3信号输入部分设计3.3.1信号输入部分总体设计热电偶输出的是模拟信号，通过两级放大电路将微弱的电压信号放大为A/D转换器所需求的输入电压。由于单片机只能处理数字信号，故需对这些信号进行A/D转换变为数字信号。该部分主要由一片单片集成测量放大器ICL7650和4片OP07来实现两级放大；而冷端补偿部分由集成温度传感器AD590和两片OP07构成；两片8选1的模拟开关CD4051将输入信号和冷端补偿信号引入；采用一片AD1674将输入的模拟信号转变为数字信号送入单片机80C31。输入部分模块如图3.2所示。3.3.2芯片选用及电路连接(1)第一级测量放大器测量放大器又称数据放大器、仪表放大器和桥路放大器。它的输入阻抗高，易与各种信号源相匹配 。它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，时间漂移小，因而稳定性好。它的共模抑制比大，适用于在大的共模电压背景下对微小差模信号的放大。它是一种高性能的放大器，常用于热电偶、应变电桥、流量计量、生物测量以及其它有较大共模干扰的条件下，本质上是直流缓变的微弱差值信号放大15 本设计中选用ICL7650，它是美国Maxim生产的自稳零高精度放大器。它的应用电路如图3.3所示16，ICL7650的输出为式中输入差模信号为。改变和就可以改变放大器的放大倍数。选用=60K可以得到稳定的放大特性，放大器的倍数可在0.11000之间可调。ICL7650输入端的篏位二极管起到保护作用，避免输入线路出现故障时瞬时尖峰干扰损坏测量放大器。(2)第二级放大器第二级放大器选择高精度型运放OP07，其特点是：失调及其漂移小，差模电压放大倍数高，共模抑制比和电源电压抑制比高，输入电阻大，输入偏置电流小等。第一级测量放大器的输出通过模拟开关送给第二级放大器，为了保证测量精度，必须使输出的电压和A/D转换器的量程相匹配。在本设计中，采用四种传感器作为温度测量元件，各种热电偶的输出电压范围不同，因此必须对各种热电偶匹配不同的放大倍数，使它们将各自输出的微弱电压信号经过不同放大倍数的放大后都能达到A/D转换器的满量程，本设计中第一级放大倍数选为60倍，所以选=1k。根据不同的总的放大倍数再选择第二级的放大倍数。由AD1674的电路图可知，该设计中采用单极性模拟量输入，满量程为0V+10V，因此各热电偶测得的温度转变成微弱的电压信号后，经过ICL7650、OP07放大后都要达到10V左右，图3.4给出OP07的电路图。下面针对各种不同的热电偶进行放大倍数的选取。(a)铂铑30铂铑6(双铂铑)热电偶 该热电偶在01820的温度范围内的输出电压为013.814mV,若经过放大后要达到010V，则第二级放大倍数应为 (2)铂姥13铂热电偶该热电偶在 0-1760的温度范围内的输出电压为0-21.006mM若经过放大后要达到010v，则第二级放大倍数应为 (c)钨铼3钨铼25热电偶 该热电偶在 0-2000的温度范围内的输出电压为0-35.707mV,若经过放大后要达到010V，则第二级放大倍数应为 (3)模拟开关 多路模拟开关的主要用途是把多个模拟量分时地接通送入A/D转换器，即完成多路到一路的转换；或者把计算机处理的数据经D/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路，即完成一到多路的转换。 在该设计中，热电偶的冷端和仪表处于同一温度下，为了实现热电偶的冷端补偿，就必须测量出所处环境的温度，在此采用AD590作为环境温度的检测元件，其输出同样是模拟信号，因此也必须经过A/D转换器进行转换，为了降低成本，可以和热电偶输出电压信号共用一个A/D转换器，因此就要用到多路转换开关，实现两路信号的选择。选用的CD4051是单片集成的8通道CMOS的模拟多路开关，它有三个地址信号输入端A, B, C和一个禁止端INH。从A, B, C输入的地址信号用来选择8个通道中的一个。INH=1时，通道断开，禁止模拟量输入；当INH=O时，通道接通，允许模拟量输入17。控制和地址输入信号可用TTI./DTL或CMOS电平。其主要参数有：I 电阻Ron典型值为400；II 输入电容Ci=7.5PF；III导通电阻路差=10；IV 平均延迟时间320ns。(4) A/D转换器的选择A/D转换器是把模拟量转换为数字量的器件，能把输入模拟电压转换成与它成正比的数字量，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。本设计中选用的AD1674是AD574A/AD674A的换代产品，与AD574A/AD674A的芯片引脚应用特性及诸方面的功能完全兼容，主要有如下特点18(a)为12位逐次逼近式ADC，转换速度仅为10，适合在高精度快速采样系统中使用。(b)集成转换时钟、参考电压源和三态输出锁存器，使用方便，可与微机直接接口，无需外接时钟。(C)输入模拟电压既可以是单极性也可以是双极性，单极性输入时为0 +10V；双极性输入时为5V或10V之间。(d)该芯片自带采样保持器，可直接与被转换的模拟信号相连，而且性能价格比高。该芯片共有6根控制线：为片选线，低电平有效，接至译码器的输出；CE为片选使能线，高电平有效，由8031的和与非之后控制；为读出转换控制输入线，若使为0，则启动本片工作；若为1，则本片处于允许读出数字量状态，将其与8031的取反后相连，A0和12/这两条控制线决定进行12位还是8位A/D转换，将A0与地址线相连，12/直接接地；控制线STS为转换状态输出线，STS为高电平时表示A/D处于转换状态，为低电平时表示转换完成，本设计中STS悬空，采用延时方式等待A/D转换结束。电路图如图3.5所示 。 在该设计中，AD1674连接成单极输入电路，输入电压为0V一10V，输出数字量为无符号二进制码，计算公式为 系统的分辨率为3.4单片机系统及其扩展I/O口的设计单片机系统的基本构成为一片80C31外接两片74LS138译码器、两片程序存储器芯片27256和27128、两片数据存储器芯片2864、一片数据存储器芯片6264其中27256和27128用于扩展 48KBROM，两片2864和一片 6264用于扩展24KBRAM，分别用来存放程序、表格和数据。图3.6中所示两片74LS138译码器，分别用于扩展片选线和线选线，74LS373用于低8位地址锁存。下面介绍芯片选用及电路设计。3.4.1 地址存储器由于8031单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线口,因此在进行程序存储器扩展时,必须用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离出来.74LS373是带三态缓冲输出的八D锁存器,将它的锁存控制端直接与8031的锁存控制信号端ALE相连,在ALE下降沿进行