电开水炉的温度检测与显示9

目录目录 第一章第一章 热电偶测温技术热电偶测温技术 1 11 1 热电偶工作原理热电偶工作原理 1 21 2 热电偶材料的分类及其特性 1 31 3 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 1 41 4 各种热电偶的测量范围和优缺点 第二章第二章 重要元件介绍重要元件介绍 2 12 1 I IC CL L 工工作作原原理理 2 22 2 ICL 基本特点 2 32 3 I IC CL L7 71 10 07 7 各各引引脚脚 2 2 4 4 I IC CL L7 71 10 07 7 引引脚脚功功能能 2 2 5 5 LM324 介绍 2 2 6 6 LM324LM324 引脚图 管脚应用图 引脚图 管脚应用图 2 2 7 7 数码管的外形及功能介绍 2 8 LED 数码管的驱动方式 2 2 9 9 LED 数码管应应用用领领域域 第三章 实验过程及数据 3 3 1 1 实实验验过过程程及及数数据据 附附录录 第第 1 1 章章 热电偶测温技术热电偶测温技术 1 1 1 1 热热电电偶偶的的工工作作原原理理 热电偶的工作原理是 两种不同成分的导体 称为热电偶丝材或热电极 两端经过焊接 形成回路 直接测温端叫测量端 接线端子端叫参比端 当测 量端和参比端存在温差时 就会在回路中产生电动势 这种现象称为热电效应 而这种电动势称为热电势 热电偶就是利用这种原理进行温度测量的 冷端与 显示仪表或配套仪表连接 仪表上显示出热电偶所产生的热电动势的对应温度 值 热电偶实际上是一种能量转换器 它将热能转换为电能 用所产生的热电势 测量温度 对于热电偶的热电势 应注意如下几个问题 1 热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差 而不是热电偶冷 端与工作端 两端温度差的函数 2 热电偶所产生的热电势的大小 当热电偶的材料是均匀时 与热电偶 的长度和直径无关 只与热电偶材料的成份和两端的温差有关 3 当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后 热电偶热电势的大小 只与 热电偶的温度差有关 若热电偶冷端的温度保持一定 这进热电偶的热电势仅 是工作端温度的单值函数 将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来 构成一个闭合回路 如图所示 当导体 A 和 B 的两个执着点 1 和 2 之间存在温 差时 两者之间便产生电动势 因而在回路中形成一个大小的电流 这种现象 称为热电效应 热电偶就是利用这一效应来工作的 1 2 热电偶材料的分类及其特性 热电偶材料的要求根据热电偶作用和原理是有要求的 1 物理化学性能稳定 在物理性能方面 例如高温不产生再结晶或是蒸发现象 因为再结晶会引起 热电势的变化蒸发除了会使热电极直径变细折断外 还会使热电极之间相互污 染 致使热电势发生变化 在化学性能方面 例如要求在测温范围内其抗氧化和抗还原性能好 不受化学 腐蚀 因为如果易受氧化或还原气氛影响则会使热电极变质 引起热电势的变 化 受氧化后的热电极还会变细 变脆 容易折断 2 测温温度范围宽 在选择作热电偶材料时 最好选熔点高 饱和蒸汽压力低的金属或合金 这 样的热电偶不仅测量温度高 而且测温范围宽 3 热电性能好 这里讲的热电性能有四方面 一是热电势与温度关系要成简单的函数关系 最好是线性关系 这样可使显示仪表的刻度线性化 提高精度 二是微分电势 大 提高测量灵敏度 三是稳定性好 即是在测量范围内经长期使用后热电势 不产生变化或在规定的范围内变化 四是复现性好 即用同样成分和工艺制造 的热电偶其热电势均应符合分度表的规定数值 这样便于大批量生产 利于互 换 4 电阻系数要小 如果热电极的电阻温度系数太大的话 则在不同温度下热电偶本身的电阻 值变化很大 这将会对某些显示仪表或变送器造成较大的附加误差 用于低温 测量的热电偶还要求有较小的导热率 以减小热导误差 5 有良好的机械加工性能 绝大多数热电偶是用金属合金制成的 要经过熔炼和机械加工等程序 因此 要求他有良好的机械加工性能 例如铠装热电偶 它是由金属保护管 绝缘材 料和热电极三者组合后经旋锻拉拨而成 其热电极最小可达 0 1mm 若没有良 好的机械性能 就很难做得到 还有一些要求反应时间快的普通热电偶 要求 热电极的直径也很小 测量低温的热电偶 为了减少热传导误差也要求用较细 直径的热电偶 6 价格便宜并尽量少用稀贵金属 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类 所调用标准热电偶 是指国家标准规定了其热电势与温度的关系 允许误差 并有统一的标准分度 表的热电偶 它有与其配套的显示仪表可供选用 非标准化热电偶在使用范围 或数量级上均不及标准化热电偶 一般也没有统一的分度表 主要用于某些特 殊场合的测量 标准化热电偶中国从 1988 年 1 月 1 日起 热电偶和热电阻全部 按 IEC 国际标准生产 并指定 S B E K R J T 七种标准化热电偶为中国 统一设计型热电偶 以下的表格主要描述了各种不同的热电偶分度号的属性及标准参数 比如长期 稳定温度范围 短期温度范围 误差等级情况 颜色表 热端温度表现等等 例如 一个允差范围是 0 0025 T 的热电偶在 1000 摄氏度将有 2 5 C 的误差 热电偶各种分度号标准参数比较 常用热电偶材料常用热电偶材料 正极 负极 S 铂铑合金 铑含量 10 纯铂 0 1400 R 铂铑合金 铑含量 13 纯铂 0 1400 B 铂铑合金 铑含量 30 铂铑合金 铑含量 6 0 1400 K 镍铬镍硅 200 1000 T 纯铜 铜镍 200 300 J 铁 铜镍 200 600 N 镍铬硅镍硅 200 1200 E 镍铬 铜镍 200 700 热电偶的种类 热电偶的种类 装配热电偶装配热电偶 铠装热电偶铠装热电偶 端面热电偶 端面热电偶 压簧固定热压簧固定热 电偶电偶 高温热电偶 高温热电偶 铂铑热电偶铂铑热电偶 防腐热电偶 防腐热电偶 耐磨热电偶耐磨热电偶 高压热电偶 特 高压热电偶 特 殊热电偶 手持式热电偶 殊热电偶 手持式热电偶 微型热电偶微型热电偶 贵金属热电偶 贵金属热电偶 快速热电偶快速热电偶 钨铼热 钨铼热 电偶 电偶 单芯铠装热电偶单芯铠装热电偶等等 等等 类别类别 热电偶类别 代 号 分 度号 测温 范围 允许偏 差限 铂铑 30 铂铑 6 W RR B 0 18 00 0 25 t 铂铑 10 铂 W RP S 0 16 00 0 25 t 镍铬 镍硅 W RN K 0 13 00 0 75 t 镍铬 康铜 W RE E 0 80 0 0 75 t 铂铑 13 铂 W RB R 0 160 0 0 25 t 热电偶公称压力 一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂 热电偶最小插入深度 应不小于其保护套管外径的 8 10 倍 特列产品例外 绝缘电阻 当周围空气温度为 15 35 相对湿度 80 时绝缘电阻 5 兆欧 电压 100V 具有防溅式接线盒的热电偶 当相对温度为 93 3 时 绝缘 电阻 0 5 兆欧 电压 100V 高温下的绝缘电阻 热电偶在高温下 其热电极 包括双支式 与保护管以及双支热电极之间的绝缘电阻 按每米计 应大于 下表规定的值 1 31 3 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 1 均质导体定律 由同一种均质材料 导体或半导体 两端焊接组成闭合回路 无论 导体截面如何以及温度如何分布 将不产生接触电势 温差电势相抵消 回路中总电势为零 可见 热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成 若热电极材料不均匀 由于温度梯存在 将会产生附加热电势 2 中间导体定律 在热电偶回路中接入中间导体 第三导体 只要中间导体两端温 度相同 中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响 这就是中间导体定 律 应用 依据中间导体定律 在热电偶实际测温应用中 常采用热端 焊接 冷端开路的形式 冷端经连接 导线与显示仪表连接构成测温系统 有人担心用铜导线连接热电偶冷端到仪表读取mV 值 在导线与热电偶连接 处产生的接触电势会使测量产生附加误差 根据这个定律 是没有这个误差 的 3 中间温度定律 热电偶回路两接点 温度为 T T0 间的热电势 等于热电偶在温 度为 T Tn 时的热电势与在温度为 Tn T0 时的热电势的代数和 Tn 称中 间温度 应用 由于热电偶 E T 之间通常呈非线性关系 当冷端温度不为 0 时 不能利用已知回路实际热电势E t t0 直接查表求取热端温度值 也不能利用已知回路实际热电势 E t t0 直接查表求取的温度值 再加上 冷端温度确定热端被测温度值 需按中间温度定律进行修正 初学者经常不 按中间温度定律来修正 4 参考电极定律 这个定律是专业人士才研究 关注的 一般生产 使用环节的人士不太 了解 简单说明就是 用高纯度铂丝做标准电极 假设镍铬 镍硅热电偶的 正负极分别和标准电极配对 他们的值相加是等于这支镍铬 镍硅的值 1 4 各种热电偶的测量范围和优缺点 S 型热电偶 铂铑 10 铂热电偶 温度范围 0 1600 旧分度号 LB 3 优点 1 耐热性 安定性 再现性良好及较优越的精确度 3 耐氧化 耐腐浊性良好 3 可以做为标准使用 缺点 1 热电动势值小 2 在还元性气体环境较脆弱 特别是氢 金属蒸气 3 补偿导线误差大 4 价格高昂 R 型热电偶 铂铑13 铂热电偶 温度范围 0 1600 优点 1 耐热性 安定性 再现性良好及较优越的精确度 2 耐氧化 耐腐浊性良好 3 可以做为标准使用 缺点 1 热电动势值小 2 在还元性气体环境较脆弱 特别是氢 金属蒸气 3 补偿导线误差大 4 价格高昂 B 型热电偶 铂铑30 铂铑6 热电偶 温度范围 600 1800 旧分度号 LL 2 自由端在0 50 内可以不用补偿导线 优点 1 适用1000 以上至1800 2 在常温环境下热电动势非常小 不需补偿导线 3 耐氧化 耐腐浊性良好 4 耐热性与机械强度较 R 型优良 缺点 1 在中低温域之热电动势极小 600 以下测定温度不准确 2 热电动势值小 3 热电动势之直线性不佳 4 价格高昂 K 型热电偶 镍铬 镍硅热电偶 镍铬 镍铝热电偶 温度范围 200 1300 优点 1 热电动势之直线性良好 2 1000 以下耐氧化性良好 3 在金属热电偶中安定性属良好 缺点 1 不适用于还元性气体环境 特别是一氧化碳 二氧化硫 硫化氢等气体 2 热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大 3 受短范围排序之影响会产生误差 N 型热电偶 镍铬硅 镍硅热电偶 温度范围 270 1300 优点 1 热电动势之直线性良好 2 1200 以下耐氧化性良好 3 为 K 型之改良型 受 Green Rot 之影响较小 耐热温度较 K 型高 缺点 1 不适用于还元性气体环境 2 热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大 E 型热电偶 镍铬硅 康铜热电偶 温度范围 270 1000 优点 1 现有热电偶中感度最佳者 2 与 J 热电偶相比耐热性良好 3 两脚不具磁性 4 适于氧化性气体环境 5 价格低廉 缺点 1 不适用于还元性气体环境 2 稍具履历现象 J 型热电偶 铁 康铜热电偶 温度范围 210 1200 优点 1 可使用于还元性气体环境 2 热电动势较 K 热电偶大20 3 价格较便宜 适用于中温区域 缺点 1 脚易生锈 2 再现性不佳 T 型热电偶 铜 康铜热电偶 温度范围 270 400 优点 1 热电动势之直线性良好 2 低温之特性良好 3 再现性良好 高精度 4 可使用于还元性气体环境 缺点 1 使用温度限度低 2 脚之铜易氧化 3 热传导误差大 第第 2 2 章章 重要元件介绍重要元件介绍 2 1 I IC CL L 工工作作原原理理 双积分型 A D 转换器 ICL7107 是一种间接 A D 转换器 它通过对输 入模拟电压和参考电压分别进行两次积分 将输入电压平均值变换成与之 成正比的时间间隔 然后利用脉冲时间间隔 进而得出相应的数字性输出 它包括积分器 比较器 计数器 控制逻辑和时钟信号源 积分器是 A D 转换器的心脏 在一个测量周期内 积分器先后对输入信号电压和基 准电压进行两次积分 比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较 比 较的结果作为数字电路的控制信一号 时钟信号源的标准周期Tc 作为 测量时间间隔的标准时间 它是由内部的两个反向器以及外部的RC 组 成的 其振荡周期 Tc 2RCIn1 5 2 2RC 2 2 ICL 基本特点 I IC CL L7 71 10 07 7 是是 3 31 1 2 2 位位双双积积分分型型 A A D D 转转换换器器 属属于于 C CM Mo oS S 大大规规模模集集成成电电 路路 它它的的最最大大显显示示值值为为士士 1 19 99 99 9 最最小小分分辨辨率率为为 1 10 00 0u uV V 转转换换精精度度为为 0 0 0 05 5 士士 1 1 个个字字 能能直直接接驱驱动动共共阳阳极极 L LE ED D 数数码码管管 不不需需要要另另加加驱驱动动器器件件 使使整整机机线线路路 简简化化 采采用用士士 5 5V V 两两组组电电源源供供电电 并并将将第第 2 21 1 脚脚的的 G GN ND D 接接第第 3 30 0 脚脚的的 I IN N 在在芯芯片片内内部部从从 V V 与与 C CO OM M 之之间间有有一一个个稳稳定定性性很很高高的的 2 2 8 8V V 基基准准电电源源 通通过过电电阻阻分分压压器器可可获获得得所所需需的的基基准准电电压压V VR RE EF F 能能通通过过内内部部的的模模拟拟开开关关实实现现自自动动调调零零和和自自动动极极性性显显示示功功能能 输输入入阻阻抗抗高高 对对输输入入信信号号无无衰衰减减作作用用 整整机机组组装装方方便便 无无需需外外加加有有源源器器件件 配配上上电电阻阻 电电容容和和L LE ED D 共共阳阳极极 数数码码管管 就就能能构构成成一一只只直直流流数数字字电电压压表表头头 噪噪音音低低 温温漂漂小小 具具有有良良好好的的可可靠靠性性 寿寿命命长长 芯芯片片本本身身功功耗耗小小于于 1 15 5m mw w 不不包包括括 L LE ED D 不不设设有有一一专专门门的的小小数数点点驱驱动动信信号号 使使用用时时可可将将L LE ED D 共共阳阳极极数数数数码码管管 公公共共阳阳极极接接 V V 可可以以方方便便的的进进行行功功能能检检查查 2 2 3 3 I IC CL L7 71 10 07 7 各各引引脚脚 2 2 4 4 I IC CL L7 71 10 07 7 引引脚脚功功能能 V 和 V 分别为电源的正极和负极 Oscl OSc3 时钟振荡器的引出端 外接阻容或石英晶体组成的振荡器 第 38 脚至第 40 脚电容量的选择是根据下列公式来决定 Fosl 0 45 RC COM 模拟信号公共端 简称 模拟地 使 用时一般与输出 信号的负端以及基准电压的负极相连 TEST 测试端 该端经过 500 欧姆电阻接至逻辑电路的公共地 故也称 逻辑地 或 数字地 VREF VREF 基准电压正负端 CREF 外接基准电容端 INT 27 是一个积分电容器 必须选择温度系数小不致使积分器的输入电 压产生漂移现象的元件 IN 和 IN 模拟量输入端 分别接输入信号的正端和负端 AZ 积分器和比较器的反向输入端 接自动调零电容CAz 如果应用在 200mV 满刻度的场合是使用 0 47 F 而 2V 满刻度是 0 047 F BUF 缓冲放大器输出端 接积分电阻Rint 其输出级的无功电流 idling current 是 100 A 而缓冲器与积分器能够供给 20 A 的驱动 电流 从此脚接一个 Rint 至积分电容器 其值在满刻度 200mV 时选用 47K 而 2V 满刻度则使用 470K 2 5 LM324LM324 介绍介绍 LM324 系列器件带有真差动输入的四运算放大器 与单电源应用场合的标 准运算放大器相比 它们有一些显著优点 该四放大器可以工作在低到 3 0 伏 或者高到 32 伏的电源下 静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一 共模输 入范围包括负电源 因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性 每一组运算放大器可用图 1 所示的符号来表示 它有 5 个引出脚 其中 为两个信号输入端 V V 为正 负电源端 Vo 为输出端 两个信号输入端中 Vi 为反相输入端 表示运放输出端 Vo 的信号与该输 入端的位相反 Vi 为同相输入端 表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端 的相位相同 2 62 6 LM324LM324 引脚图 管脚应用图 引脚图 管脚应用图 参数描述参数描述 运放类型 低功率 放大器数目4 带宽1 2MHz 针脚数 14 14 工作温度范围0 C 封装类型 SOIC 3dB 带宽增益乘积 1 2MHz 变化斜率0 5V s 器件标号324 增益带宽LM324AD 器件标记1 2MHz 工作温度最低0 C 温度范围70 C 放大器类型 低功耗 工作温度最高 商用 电源电压最大 32V 电源电压最小 3V 芯片标号 324 表面安装器件表面安装 输入偏移电压最大 7mV 运放特点高增益频率补偿运算 逻辑功能号 324 额定电源电压 15V 2 7 LED 数码管的外形及功能介绍 LED 数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的 加上小数点就是 8 个 这些段分别由字母 a b c d e f g dp 来表示 当数码管特定的段加上电 压后 这些特定的段就会发亮 以形成我们眼睛看到的字样了 如 显示一个 2 字 那么应当是 a 亮 b 亮 g 亮 e 亮 d 亮 f 不亮 c 不亮 dp 不亮 LED 数码 管有一般亮和超亮等不同之分 也有 0 5 寸 1 寸等不同的尺寸 小尺寸数码 管的显示笔画常用一个发光二极管组成 而大尺寸的数码管由二个或多个发光 二极管组成 一般情况下 单个发光二极管的管压降为 1 8V 左右 电流不超过 30mA 发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管 发光 二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管 常用 LED 数码管 显示的数字和字符是 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 2 8 LED 数码管的驱动方式 A 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动 静态驱动是指每个数码 管的每一个段码都由一个单片机的 I O 埠进行驱动 或者使用如 BCD 码二 十进 位 器 进行驱动 静态驱动的优点是编程简单 显示亮度高 缺点是占用 I O 埠多 如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5 8 40 根 I O 埠来驱动 要知道一 个 89S51 单片机可用的 I O 埠才 32 个呢 故实际应用时必须增加 驱动器进行 驱动 增加了硬体电路的复杂性 B 动态显示驱动 数码管动态显 示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一 动态驱动是将所有数码 管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的同名端连在一起 另外为每个数码管 的公共极 COM 增加位元选通控制电路 位元选通由各自独立的 I O 线控制 当 单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相同的字形码 但究竟是那个数码 管会显示出字形 取决于单片机对位元选通 COM 端电路的控制 所以我们只要 将需要显示的数码管的选通控制打开 该位元就显示出字形 没有选通的数码 管就不会亮 透过分时轮流控制各个 LED 数码管的 COM 端 就使各个数码 管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程中 每位元数码管的点亮 时间为 1 2ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应 尽管实际上 各位数码管并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印象就是一组稳 定的显示资料 不会有闪烁感 动态显示的效果和静态显示是一样的 能够节 省大量的 I O 埠 而且功耗更低 2 2 9 9 LED 数码管应应用用领领域域 主要用于楼体墙面 广告招牌 高档的 DISCO 酒吧 夜总会 会所的门 头广告牌等 特别适合应用于广告牌背景 立交桥 河 湖护栏 建筑物轮廓 等大型动感光带之中 可产生彩虹般绚丽的效果 用护栏管装饰建筑物的轮廓 可以起到突出美彩亮化建筑物的效果 事实证明 它已经成为照明产品中的一 只奇葩 绽放在动感都市 第三章 实验过程及数据 实验过程实验过程 一 施焊有关事项 1布局合理 疏密恰当 2 尽量施焊短 飞线少 3 先预摆元件 当确定后 拍照留存 4 在电脑或纸上施焊线路和飞线 5 在施焊过程中 每焊一道线 消掉一根线 6 焊接时 应先加热管脚 再加焊 避免虚焊 7 每元件在正面语出 2 3cm 金属脚 以便调试 8 六根线预留 20cm 长 9 LM324 所用管脚 在图纸上标明 二 实验准备 1 必须焊接完板子后 方可进行调试 2 所领电源应先用万用表检查各输出电压 如有问题 应立即向老师反映 3 板子上各电源线对地线电阻板子之间的正反向电阻都必须大于 2k 欧姆 4 热电偶与板子引出线应焊接不应搭接 红色为热电偶正极 5 杯中的水面不应低于 70 的总