多功能智能化温度测量仪设计-开题报告.doc

毕业设计(论文)开题报告题 目： 多功能智能化温度测量仪 学 院： 电气信息学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 指导老师： 2014年 3 月 10 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文献综述一、前言温度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。因此,能够确保快速、准确地测量温度的技术及其装置普遍受到各国的重视。近年来,利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度检测技术的一种发展趋势1。智能温度测量仪自上世纪70年代初出现以来，随着微处理器技术的迅猛发展及测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度越高、可靠性高、稳定性好，而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。另外，为制造高性能的传感器，光靠改进材料工艺也很困难，需要利用计算机技术与传感器技术相结合来弥补其性能的不足，产生了功能强大的智能温度测量仪。所谓智能温度测量仪，就是一种带有微处理器的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的测温系统2。就目前来看来看，已有很多形式的智能测温仪作为产品投入市场，如美国Honeywell公司推出的DSTJ-3000型硅压阻式智能测温仪，Par Scientific公司的1000系列数字石英智能测温仪。国内近年来也着手智能测温仪的开发与研究，许多公司也有产品投入到市场。智能测温仪因在其功能、精度、可靠性上较普通测温设备有很大提高，已经成为测温领域的热点。近年来，随着传感器技术和微电子技术的发展，智能测温仪发展很快。发展高性能的智能温度测量仪已成为必然。二、国内外测温技术及其发展趋势2.1 国内外测温技术现状随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，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。(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：玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。(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检测元件之一。 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，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。(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: 电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。(4)利用热辐射原理制成的高温计。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；一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射3。2.2 国内外温度检测技术的发展动向随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，因而对温度检测技术的要求也愈来愈高，一般可以归纳以下几方面。(1)扩展检测范围。现在工业上通用的温度检测范围为-20030000，而今后要求能测量超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切。(2)扩大测温对象。温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。(3)发展新型产品。利用老的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足于用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。(4)适应特殊环境的测温。在许多场合中的温度检测器有特殊要求，例如防爆、防硫、耐磨等性能要求；又如移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温、火焰温度检测等。(5)显示数字化。温度仪表向数字化方向发展。其最大优点是直观、无度数误差、分辨率高、测量误差小，因而有广阔的销售市场。(6)标定自动化。应用计算机技术，快速、准确、自动地标定温度检测器5。根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展：(1)继续生产量大面广的传统温度检测元件，如：热电偶、热电阻、热敏电阻等。(2)加强新原理、新材料、新工艺的开发。如近来己开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。(3)向智能化、集成化、适用化方向发展。新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展。随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，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：(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：玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。(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检测元件之一。 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，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。(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: 电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。(4)利用热辐射原理制成的高温计。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；一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射4。三、智能温度测量仪的简介及其评价3.1 智能测温仪的工作原理图1：系统框图从温度传感器过来的mV信号，送到仪表放大器将信号放大，再经A/D转换为数字量送单片机。由人工智能算法根据给定值和实测值，得到输出控制数字量，再经D/A转换成模拟量，最后又经V/I转换成标准控制信号，作为仪表的输出。从输入口输入的电压信号，经A/D转换为数字量送单片机。由人工智能算出电压值，并输入到显示部分进行显示，以显示所测得的电压值4。3.2 智能温度测量仪的评价由于工业测温都是在设备正常运行时测量设备内部或者产品各部位的温度，人工测温需要将机器关闭并且打开设备将温度测量器深入。这样不但造成时间浪费，而且不能实时得知设备是否正常运作，产品有没达到要求温度。如果不能实时测得温度，就不能实时控制设备或产品的温度，这样就不能保证产品的质量，而且有的时候还会造成危险。但是智能测温仪可以通过温度传感器，实时测量产品和设备的温度，实时调节温度控制，这样为机械化生产，智能化生产创造了条件5。但是智能测温仪也有他的弱点，智能测温仪由传感器，单片机，放大器和软件等组成，由于其复杂性，所以任何一环出现问题，智能测温仪就无法正常工作，这样就大大降低了测温的正确性。四、智能温度测量仪需解决的问题在冶金，化工，石油等领域的生产自动化系统中，热电偶作为一种接触式温度传感器应用非常普遍。它的结构简单，温度范围广，精度高，反应速度快，但是在用热电偶测温过程中必须处理好三个问题。首先，应保持冷端温度为零或进行冷端温度补偿；其二，热电偶的输出电势非常低，一般为几微伏几十微伏/。期满量程输出也只有几十豪伏几百豪伏/，因此要解决微弱直流信号放大的问题；其三，热电偶的温度-热电偶特性曲线成复杂曲线形式，非线性较明显，因此要解决非线性补偿问题。普通的模拟仪表有输入电路、放大电路、非线性反馈回路及冷端温度补偿电路等环节组成，但是模拟电路进行非线性补偿较困难，且精度不易提高，所以在电路中引进单片机的智能仪表得以迅速发展6。4.1 信号放大热电偶出来的mv信号，无法直接进行A/D转换，必须进行放大处理。由于此电路是系统设计的核心部分之一，如果在放大级引入的干扰，被放大后进入到后级的A/D，转化出来的数值必定相差很远。为使系统具有极高的可靠性，应选择性能高一点的仪表专用运放为佳11。4.3 软件的非线性处理方法 对热电偶得到的非线性信号的处理采用查表和程序计算的方法来解决，由拟和理论可知，对非线性信号可用多项式 来拟和，且多项式次数越高，精度也越高。但在实际的智能测温系统中，由于受速度和存储容量的限制，只能采。用有限次拟和。本文根据热电偶的热电势与温度曲线，提出用二次插值的方法(即取多项式前三项) 来对非线性进行处理，其方法是先在存储器中存入热电势和温度的序列表对于任意的热电势e，假设通过程序可判别它在热电势和温度序列中的位置为则对应的温度t 可由下式计算出温度值10。 （1）由于在(ei，ei + 2 )内，将信号拟合成抛物线，更接近于电势与温度的实际，所以拟和的精度大大的提高，同时在相同的精度下，变量序列的步长取得相对较大，这样可大大压缩表格的数据量，从而极大节省了内存空间。本文以K型镍铬镍硅为例每50 存储一个热电势值(uV)，若测温范围为-50+1100，存储的热电势值依次为： 19 ，0，2022，4095，6137，137，10151，12207，14292，16395，1513，20640，22772，24902，27022，2912，31214，33277，35314，37325，39310，41269，43202，45103 。表1是对部分热电势的计算结果，由此可以看出，二次插值精度远远高于一维插值精度1213。表1 部分计算结果热电势（uV）查表值（）计算值绝对误差2927170.97-0.035531135135.040.046779166166.090.09617212212.010.0111216276275.99-0.0114203434014922365365.020.02147044944.09-0.012272954954.99-0.0125369611610.9-0.02307167373.010.0135756160.9-0.0240253974973.9-0.02415110151014.99-0.01参考文献1 刘笃仁等. 传感器原理及应用技术M . 西安:西安电子科技大学出版社, 20032 张东风. 热工测量及仪表M. 北京:中国电力出版社, 2007. 43 孙国华. 热电偶的测温误差分析及解决方案J. 考试周刊, 200. 354 陈学利, 张东风. 热电偶的测温误差分析及修正方法J. 科技信息, 200. 115 王魁汉等. 谈谈热电偶的测温误差J. 计量技术, 2004. 36 潘圣铭, 茆冠华. 温度计量M. 北京: 中国计量出版社, 19917 顾洲, 鹿世化. 基于DSP的数字化热电偶温度计设计J. 自动化技术与应用, 2004, (11): 7475 虞致国. MAX6675的原理与应用J. 国外电子元器件, 2002, (12): 41439 翟玉文等. 智能仪表设计中非线性输入信号处理方法J. 电子测量技术, 2002, (4): 313310 王魁汉等. 温度测量实用技术M. 北京: 机械工业出版社, 200611 M. Zell, J. G. Lyng, D. J. Morgan *, D.A. Cronin. Development of rapid response thermocouple probes for use in a batch ohmic heating systemJ. Journal of Food Engineering, 2009, 93: 34434712 Yoav Heichal, Sanjeev Chandra, Evgueni Bordatchev.A fast-response thin film thermocouple to measure rapid surface temperature changesJ. Experimental Thermal and Fluid Science, 2005, 30: 153159 13 W. Wang,H.H.Qui. Interfacial thermal conductance in rapid contact solidificationJ. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2002, 45: 496749114 N.A. Abukhshim, P.T. Mativenga, M.A. Sheikh. Heat generation and temperature prediction in metal cutting: a review and implications for high speed machiningJ, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46: 720015 M.Bono,J.Ni.The location of the maximum temperature on the cutting edges of a drillJ. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46: 901907 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告一、 选题意义和可行性分析温度是确定物质状态的重要参数，在许多工艺过程中常常需要使物料或成品达到某一特定的温度范围。在生产过程的检测和监控中，对温度进行及时而又准确的测量是最普遍和最重要的检测项目之一。在服装、食品等一些轻工业中，对温度控制的范围、精度有特殊的要求，且对温度检测设备的造价十分敏感，因而需要一种经济而实用的温控系统。如在服装工业中，服装的印染、烫画，温度一般要求在15010，温控精度在0399范围内应达到2，时间以s为单位。如果温度或时间不能满足要求，则产品的质量就达不到要求，甚至可能损坏原材料。因此要求较高的温度及时间精度2。随着对生产效率的要求不断提高，对温度检测的要求也越来越高，融合现代检测技术和控制理论的智能检测是当今温度检测的一大趋势，研究和开发适用场合多样化、测温对象多样化、检测设备数字化以及检测元件新型化的测温仪表是国内外测温仪表研究的重点。二、 测温技术的发展状况和前景展望2.1 国内外测温技术现状随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，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：(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 : 玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。(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检测元件之一。 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，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。(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: 电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。(4)利用热辐射原理制成的高温计。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；一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射2。2.2 国内外温度检测技术的发展动向随着对生产效率的要求的不断提高，对温度检测的要求也越来越高，融合现代检测技术和控制理论的智能检测时当今温度检测的一大趋势，研究和开发适应场合多样化、测温对象多样化、检测设备数字化以及检测元件新型化的测温仪表是国内外测温仪表研究的重点。根据上述要求，国内外温度测量仪表将向以下几方面发展：(1)继续生产应用广泛的传统温度检测元件，如：热电偶、热敏电阻等。(2)加强新原理、新材料、新工艺的开发，如近来已开发的碳化硅薄膜热敏电阻温度监测器，厚膜、薄膜铂电子温度监测器，硅单晶热敏电阻温度监测器等。(3)向智能化、集成化方向发展，新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展三、研究的基本内容和基本要求3.1单片机和传感器的选择AVR系列：AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用4MHz，故最短指令执行时间为250125ns3.2选择PIC单片机的原因 就功能而言，这三种单片机都能达到要求，但是对比而言，我觉得PIC单片机更加合适。首先是价格，PIC单片机相对AVR单片机价格比较低。PIC单片机采用精简指令集，相对于其他两款，指令少很多。PIC工作电压低，驱动能力强。最低工作电压可以达到2V，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA可以直接驱动数码管显示。PIC单片机相对于51单片机速度提高很多。指令周期约160200ns。最后，本人对PIC单片机比较熟悉，这有利于我顺利的完成我的毕业设计。3.3现在市场上的热电偶的种类及特点贵金属热电偶：WR系列工业用铂铑热电偶又叫贵金属热电偶，它作为温度测量传感器,通常与温度变送器、调节器及显示仪表等配套使用,组成过程控制系统，用以直接测量或控制各种生产过程中0100范围内的流体、蒸汽和气体介质以及固体表面等温度。贵金属热电偶在热电偶系列中具有准确度最高（测量精度在以内），稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点10。它的物理、化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。由于贵金属热电偶