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dq057
基于
MCS51
多功能
温度
测量仪
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dq057基于MCS51的多功能温度测量仪,dq057,基于,MCS51,多功能,温度,测量仪
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摘 要I 摘 要 热电偶是计量技术中最常用的温度传感器，它的应用在生产技术和测量科学上曾引起跨时代的变革。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。 本文介绍的多功能温度测量仪是以 MCS-51 单片机系统和传统的温度检测元件一热电偶相结合的温度测量系统，本仪器的数学模型和测量原理简单，选用精密测量元器件和抗干扰、低温漂的精密电子元件，系统设计中充分考虑了EMC(电磁兼容)问题。该测量仪器的特点是：使用简便；测量稳定、可靠；测温范围大；使用对象广。 本文介绍了该测量仪的研制，包括温度传感器、单片机接口及其应用软件，其主要内容如下：1、介绍了国内外温度检测技术2、根据实际测量要求制定出一次仪表一传感器的选择、使用和安装方案，并且解决了热电偶测量过程中存在的冷端温度不为 0的传统问题。3、根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、 温度值的实时显示和存储以及和上位机的通讯等。4、设计了和硬件配套的软件，采用了热电偶测温的通用查表法，该方法很好地解决了热电偶热电势与温度值之间非线性的问题。5、从原理和实际意义上分析了该仪器的测量误差。关键词 温度测量 热电偶 冷端温度 单片机 智能化ABSTRACIIAbstractThe Multifunctional Temperature Measurement Instrument introduced in the thesis was developed by conbining a MCS-51 8-bit microcontroller system and a conventional temperature measurement component-thermocouple. The mathematic model and measurement principle for the instrument are very simple. In the design of the instrument, the electronic components with the features of disturbance resistance, low temperature drift and high precision were used. And during system designing and PCB designing, EMC was well regarded. The instrument has the characteristics of simple operation, reliable performance, wide measurement range and various application fields In the thesis, the development of the instrument is introduced, with the design of the temperature sensors, the interface circuits in the microcontroller system and the software included. The main content of the thesis is as follows: (1) A summary is presented about the present situation of the temperature measurement technique. (2) The plan was drawn up for selecting, using and setting the temperature sensor according to the practical measurement demands. In addition, the problem that the temperature of the reference end of the thermocouple is not 0C in measurement has been solved. (3) According to the application demands, a hardware system of microcontroller was designed. It can realize data acquisition, timely displaying and storage of the value of the measured temperature, communication with an upper computer and so on. (4) The corresponding software was designed. A general method by checking table, which is used to measure temperature by thermocouple, was put forward. The problem of the non-linear relation between the thermo-emf and the temperature value of a thermocouple can be satisfactorily solved by the method.(5) The measurement of the instrument was analyzed by experiment.Key words temperature measurement, thermocouple, the temperature of the referenced end of thermocouple, microcontroller, intelligentiztion第 1 章 绪论3目 录摘摘 要要.IABSTRACT.II第第 1 章章 绪论绪论.61.1 引言.61.2 国内外测温状况.61.2.1 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计.61.2.2 利用热电效应技术制成的温度检测元件.71.2.3 利用热阻效应技术制成的温度计.71.2.4 利用热辐射原理制成的高温计.71.2.5 利用红外测技术进行温度测量.71.3 课题研究背景及本文主要内容.8第第 2 章章 热电偶测温的基本原理热电偶测温的基本原理.92.1 方案的提出.92.2 热电偶测温的基本原理.92.3 热电偶闭合回路的总热电动势.102.4 数据采集部分的设计.112.4.1 热电偶的种类.112.4.1.1 根据热电偶材料分类.112.4.1.2 根据热电偶的用途分类.112.4.1.3 根据热电偶的结构形式分类：.112.4.2 热电偶类型的选择.122.4.2.1 钨铼 3钨铼 25 热电偶.122.4.2.2 铂铑 30 一铂铑 6 热电偶.132.4.2.3 铂铑 13铂热电偶.132.4.3 补偿导线的选择.132.4.3.1 补偿导线的原理.132.4.3.2 补偿导线的型号与分类.142.4.3.3 补偿导线的使用原则.142.4.3.4 使用补偿导线后的修正.142.4.4 热电偶的冷端补偿.152.4.4.1 热电偶参考端温度的影响.15电子科技大学学士学位论文42.4.4.2 热电偶冷端补偿电路的设计.152.4.5 绝缘物与保护管的选择.16第第 3 章章 多功能温度测量仪的硬件设计多功能温度测量仪的硬件设计.183.1 系统总体设计.183.2 单片机介绍.183.3 信号输入部分设计.203.3.1 信号输入部分总体设计.203.3.2 芯片选用及电路连接.213.4 单片机系统的设计.253.4.1 地址存储器.253.4.2 程序存储器.253.5 通讯电路设计.253.7 模拟信号输出电路设计.273.8.1 信号输出部分总体设计.273.8.2 芯片的选择.27第第 4 章章 多功能温度测量仪的软件设计多功能温度测量仪的软件设计.294.1 系统软件总体设计.294.3 数据采集子程序设计.294.4 数据处理程序设计.304.5 显示结果.30第第 5 章章 误差分析误差分析.315.1 系统稳态误差.315.1.1 热电偶带来的测量误差.315.1.1.1 热电偶安装引起的测量误差.315.1.1.2 热电偶固有特性引起的误差.315.1.1.3 检定过程中引起的误差.325.1.2 单片机系统带来的误差.335.2 系统动态误差.335.2.1 动态误差概念.335.2.2 感温件的动态特性.345.2.3 改善动态特性的方法和动态补偿.355.2.3.1 改善动态特性的方法.355.2.3.2 温度测量的动态补偿.35第 1 章 绪论5第六章第六章 结论与展望结论与展望.376.1 结论.376.2 展望.37致谢致谢.38参参 考考 文文 献献.39外文资料原文外文资料原文.40外文资料译文外文资料译文.42电子科技大学学士学位论文6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液体(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；第 1 章 绪论7 (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。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。(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。电子科技大学学士学位论文81.2.5 利用红外测技术进行温度测量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 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。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9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。ABE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4图 2.1 赛贝克效应示意图(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，当电子科技大学学士学位论文10两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( )ABT0()ABT0TT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0( ,)ABET T000( ,)( )()()TABABABABTET TTTdT 所以 00000( ,)( )() ()()TTABABABABABET TTdTTdT （21）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：第 2 章 热电偶测温的基本原理11 0( )( )()TABABABeTTdT （22） 0000()()()TABABABeTTdT （23）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0TT( )ABeT0()ABeT势方向相反。所以总热电动势可表示成如下形式： 000( ,)( )()( )()ABABABABBAET TeTeTeTeT（24）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： （25）( )Ee T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0()ABeT变成测量端温度 T 的单值函数： （26）0( ,)( )( )ABABET TeTCf T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0T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C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、电子科技大学学士学位论文12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、铠装热电偶、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，4以便满足使用要求。名称钨铼 3钨铼 25铂铑 30铂铑 6铂铑 13铂长期使用温度上限2000C1600C1300C短期使用温度上限2800C1800C1600C第 2 章 热电偶测温的基本原理13表 2.1 热电偶使用温度范围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C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C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，CCC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C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C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, 50C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。C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CC1820,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C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CC应的输出电压为 18.842mV.电子科技大学学士学位论文142.4.3 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图 2.2 补偿导线原理图 00( ,)( ,)(,)ABBAnABnABnET T TET TET T式中使用补偿导线后的温度。nT而图 2.2(b)回路的总热电动势为00( ,)( ,)(,)nABnnABB AABET T TET TET T如果00( ,)( ,)ABBAnnABB AET T TET T T则 （27）00(,)(,)ABnnABET TET T2.4.3.2 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。 （28）AABB第 2 章 热电偶测温的基本原理152.4.3.3 补偿导线的使用原则补偿导线的选用应遵循以下原则：3(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CC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1tC3tC=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：2tC先由 K 型分度表查得=41.269mV, =2.022mV, =0.798mV。当采1000E50E20E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)12( , )E t tC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)12( , )E t tC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 00( ,)( )()ABABABET TeTeT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。C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C电子科技大学学士学位论文16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。6AD590 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；CII 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；CV 重复性：0.1；CVI 输出阻抗：约为 10m；VII 长期漂移：0.1/月；C图 2.3 冷端温度测量放大电路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第 2 章 热电偶测温的基本原理17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。7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C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；CC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，C8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。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CC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。C(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 电子科技大学学士学位论文18Mo 为主体、以为陶瓷相，并掺加适量的和少量的其他添加物均23Al O23Cr O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C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CC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19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。温度传感器测量放大器A/DMCU 系统键盘显示D/A放大器输出被控图 3.1 系统示意图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、AT89 系列单片机、AT90 系列单片机(通常简称为 AVR 单片机)等。位数越高，运算速度越快。AVR 单片机是基于新的精简指令 RISC 结构的。这种结构综合了半导体集成技术和软件性能的新结构，这种结构使得在 8 位微处理器市场上，AVR 单片机具有最高的 MIPS/mW 能力。AVR 单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。它是用一个时钟周期执行一条命令的，它是在 8 位单片机中第一种真正的 RISC 单片机。电子科技大学学士学位论文20AVR 单片机具有良好的性能价格比，这个系列有引脚少的器件，也有含较大容量存储器引脚较多的器件。由于 AVR 单片机采用了 Harvard 结构，故它的程序存储器和数据存储器是分开的。可直接访问 8M 字节程序存储器和 8M 字节数据存储器，寄存器文件被双向映射，并能被访问如同片内允许快速上下转换的那部分 SRAM 存储器。AT90 系列选型表如表 1.1 所示AT90S系列120023134414851523232343Flash 编程1K 字节(51216)2K 字节(102416)4K 字节(204816)8K 字节(409616)2K 字节(1K16)2K 字节(1K16)SRAM 数据0128 字节256/64K片外512/64K片外128 字节128 字节EFPROM工作寄存器64 字节128 字节256 字节512 字节128 字节128 字节工作寄存器32 字节32 字节32 字节32 字节32 字节32 字节表 3.1 AT90 系列选型表由于本系统采用了动态测试技术，所以数据处理速度要快一点。于是，选用 AVR 系列单片机。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。本系统选用 AVR 单片机系列的AT90S8515。下面对 I/O 并行口进行说明：A 口：A 口为一个 8 位的双向 I/O 口。A 口分配又三个数据存储地址，其输入引脚地址为只读，而数据寄存器和数据方向寄存器为可读写。所有的 A 口引脚都有独立可选的上位。A 口引脚具有与可选的外部数据 SRAM 有关的第二功能，A 口在访问外部数据存储器时可以配置为复用的低位/数据线B 口：B 口是一个 8 位的双向 I/O 口。B 口分配有 3 个数据存储地址。B 口的输入引脚地址为只读，而数据寄存器和数据双向寄存器为可读写。所有 B 口引脚均有单独的可选择性拉高。具有第二功能的 B 口引脚如表所示第 3 章 多功能温度测量仪的硬件设计21口引脚第二功能口引脚第二功能PB0T0(定时器/记数器 0 外部记数器输入)PB4(SPI 从选择输入)SSPB1T1(定时器/记数器 1 外部记数器输入)PB5MOSI(SPI 总线主输出/从输入)PB2AIN0(模拟比较器正输入)PB6MOSO(SPI 总线主输出/从输入)PB3AIN1(模拟比较器负输入)PB7SCK(SPI 总线串行时钟)表 3.2 B 口引脚第二功能表C 口：C 口也是一个 8 位的双向 I/O 口。C 口分配有 3 个数据存储地址，输入引脚地址为只读，而数据寄存器和数据方向寄存器为可读写。所有 C 口引脚均有单独的可选择拉高。C 口引脚具有与可选的外部数据 SRAM 有关的第二功能。D 口：是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，D 口分配有 3 个数据存储地址，输入引脚地址为只读，而数据寄存器和数据方向寄存器为可读写。D 口的输出缓冲器可以吸收 20mA 的电流。D 口引脚在激活内部上拉时，如果外部被拉低就会变成电流源。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第一级放大器模拟开关第二级放大器AD590跟随器放大器模拟开关A/D转换单片机系统图 3.2 模拟信号输入模块电子科技大学学士学位论文22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 AT90S8515。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。它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。它的应用电路如图 3.3 所示16，ICL7650 的输出为 0SININGRVVGVR（31）式中输入差模信号为。改变和就可以改变放大器的放大倍INININVVVSRGR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SR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。第 3 章 多功能温度测量仪的硬件设计23图 3.3 ICL7650 电路图(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GRAD1674 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10 100012.60513.814 60G (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电子科技大学学士学位论文2410 10007.93421.006 60G (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 10 10004.66835.707 60G图 3.4 OP07 电路图 (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，禁止模第 3 章 多功能温度测量仪的硬件设计25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；ONRIV 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S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CS4Y；CE 为片选使能线，高电平有效，由 AVR 的和与非之后控制；WRRD为读出转换控制输入线，若使为 0，则启动本片工作；若为R CR CR C1，则本片处于允许读出数字量状态，将其与 AVR 的取反后相连，A0RD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8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8A/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0V10V，输出数字量为无符号二进制码，计算公式为INV 4096/INFSDVV（32）系统的分辨率为电子科技大学学士学位论文2612.444096FSVLSBmV图 3.5 AD1674 与 8031 的电路图3.4 单片机系统的设计单片机系统的基本构成为一片 AT90S8515 外接两片 74LS138 译码器组成，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 AVR 单片机的 A 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 AVR 的锁存控制信号端 ALE 相连,在 ALE 下降沿进行地址锁存。3.4.2 程序存储器由于本课题是通过测量热电偶的热电动势后，将所得电动势同己知的热电偶温度表对照求得测量温度，因此首先必须将已知的温度分度表存储起来以供单片机进行查询。这些数据是不可改变的，我们将其存储在程序存储器中。第 3 章 多功能温度测量仪的硬件设计273.5 通讯电路设计 本系统采用异步串行通讯方式，选择 RS485 异步串行通讯接口。在计算机网络以及分布式工业控制系统中，经常采用串行通信来达到信息交换的目的，无论是完整的 7 层 OSI 模型还是简化的 3 层 (或 4 层)工业局部网络，其第一层均为物理层，RS232C, RS422, RS485 既是物理层的协议标准，也是串行通信接口的电器标准，采用标准接口后，能很方便地把各种计算机、外部设备、测量仪器有机地联接起来，构成测量、控制系统。 MAX485 是用于 RS-485 和 RS-422 通信的低功率收发器，芯片中包含有 1个驱动器和 1 个接收器。 MAX485 芯片有 8 个管脚，其功能如下： RO(接收器输出端)：若 A 比 B 大 200mv，RO 为高；若 A 比 B 小200mv，RO 为低。 (接收器输出端)：为低时，RO 有效；为高时，RO 成高阻状态。RERERE DE(驱动器输出使能端)：若 DE 为高，驱动输出 A 和 B 有效；若 DE 为低， 它们成高阻状态，若驱动器输出有效，器样作为线驱动器用；若为高阻 状态时，为低，它们作线接收器用。RE DI(驱动器输入)：DI 为低，将迫使输出 Y 为低，Z 为高；若 DI 为高，将迫 使输出 Y 为高，Z 为低。 GND：接地。 B：反相接收器输入和反相驱动器输出。 A：同相接收器输入和同相驱动器输出。Vcc：电源不极 (4.755.25V )。图 3.6 通讯模块RS-485 最大的优点在于它的多点总线互动功能，它可以连接 1 台主机和多台终端同时通信，由于它是半双工的方式，只能有一方发送，一方接收，而且它采用差动电平接收的方法提高抗干扰能力，适合在比较恶劣的环境下工作。电子科技大学学士学位论文28单片机与上位 PC 之间的串行通讯模块如图 3.7。3.7 模拟信号输出电路设计3.8.1 信号输出部分总体设计 系统由 80C31 输出的数字信号，需经过 D/A 转换转变为模拟信号，再经功率放大去控制加热炉、热处理炉等。由一片 DAC0832 将 8031 输出的数字量转变为模拟量，其后端接一片 OP07 对信号进行放大，然后再接入 1 片 8 选一的多路模拟开关 CD4051，将输出扩展为 8 路。由上述可知，该部分具有 8 路模拟信号输出能力。该部分的框图见图 3.7。单片机系统D/A转换放大器多路模拟开关受控对象图 3.7 信号输出模块3.8.2 芯片的选择 (1) D/A 转换器选用 DAC0832，该芯片是 8 位分辨率的 D/A 集成芯片，与微处理机完全兼容，具有价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，主要有与微机处理机完全兼容，具有价格低廉，接口简单，转换控制容易等优点，主要有如下特点27：(a) 单缓冲，双缓冲或数字输入；(b) 需在满量程下调整其线性度；(c) 低功耗，200Mw；(d) 内部无参考电压源，须外接参考电压源；(e) 为电流输出型模拟转换器，要获得模拟电压输出时，需外加转换电路；(f) 有 5 根控制线。DAC0832 各引脚功能如下：为片选线，当其为低电平时，本片被选中工作；CSILE 为允许数字输入线，当 ILE 为高电平时，允许数字量输入；为控制输入线，低电平有效；XFER和为写命令输入线，用于控制数字量到输入寄存器，若为1WR2WR1WR1，为 0 和为 0 同时满足，则接受信号；若上述条件有一个不满足，则CS1WR锁存数据。用于控制 D/A 转换时间，若和同时为低电平，则输2WRXFER2WR第 3 章 多功能温度测量仪的硬件设计29出跟随输入，否则，锁存数据。和的脉冲宽度要求不小于 500ns。1WR2WR系统设计的多路输出，并不要求同时输出，因此采用单缓冲方式接口。根据 DAC0832 的特点和设计要求，将其数字输入线 DI7DI0 与 AVR 的A07A00 相连；传送控制输入线和写命令输入线都与地相连，使XFER2WR其始终有效，写命令线与 AVR 的相连，控制接受信号，将允许数字输1WRWR入线 ILE 接高电平，始终处于允许数字输入状态；将其片选线与译码器的CS输出引脚相连，由 80C31P2 口的高 3 位控制其选中状态。6Y(2)放大器的选用放大器选用 OP07。电子科技大学学士学位论文30第 4 章 多功能温度测量仪的软件设计4.1 系统软件总体设计 软件系统的设计与开发是实现热电偶钢水温度检测系统的正常运行的灵魂，同时也是本课题研究的主要内容。本章将简要叙述系统软件开发的设计思想、以及各功能模块的流程图。软件设计主要内容包括主程序模块的设计和数据采集模块的设计。 4.2 主程序设计系统的主程序设计主要完成系统初始化以及各并行 I/O 口的初始化等。本程序中给出有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、初始化、开 CPU 中断、温度显示等程序。设定堆栈指针清标志和暂存单元清显示缓冲区初始化、开 CPU 中断显示温度图 4.1 主程序流程图4.3 数据采集子程序设计 该子程序功能是把来自热电偶传感器的模拟信号转换为数字信号，完成的操作有启动 A/D 转换器、延时等待 A/D 转换器转换结束，读取转换结果并将其存入 RAM 等，程序框图如图 4.3 所示。第 4 章 多功能温度测量仪的软件设计31入口启动转换返回采样值时间到否结束延时等待图 4.2 数据采集程序流程图4.4 数据处理程序设计数据处理程序主要是数字滤波程序。当采集过程完成后，就要对采集所得的数据进行数字滤波。数字滤波算法很多，此处采用中值滤波法。中值滤波原理很简单，就是对采集过程中的 n 个（一般为 3 个）数值进行比较，取中间值放入指定存储单元。4.5 显示结果当数据处理完成之后，系统就将测量说得的温度值进行显示。显示过程是：先调用 BINTOBCD 子程序，将存放在地址为 2AH 内存单元的二进制形式的数据转换为 BCD 码的形式，其结果存放在地址为 20H 和 21H的内存单元中。20H 单元的 8 位二进制数据中，前四位表示千位（一般情况下为 0） ，后四位表示百位；21H 单元的 8 位二进制数据中，前四位表示十位，后四位表示个位。然后调用显示子程序 DISPLAY 采用静态策略显示测量的温度值。电子科技大学学士学位论文32第 5 章 误差分析 为了提高仪器的测量准确度，必须分析仪器本身的误差来源，以便进一步改善仪器的性能。通过对仪器本身的分析，可知该仪器的主要误差来自于热电偶和单片机系统，下面进行具体分析。5.1 系统稳态误差5.1.1 热电偶带来的测量误差 应用热电偶测量某处温度时，一般来说需经过一段时间后，才能测得被测处的真实温度。但实际上并非如此，各种因素影响了热电偶测温的准确性。热电偶主要从三方面引起误差:热电偶安装引起的测量误差;热电偶固有特性引起的误差；检定过程中引起的误差2s。5.1.1.1 热电偶安装引起的测量误差 热电偶是在绝缘物质与保护管的保护下进行测温的，当热电偶插入深度不够时，将受到与保护管接触的侧壁或周围环境的影响而引起误差。为消除此项误差，热电偶要有足够的插入深度，金属保护管插入深度应为直径的 1520 倍，非金属保护管应为直径的 1015 倍。此外，在热电偶附近放置与其有一定温差的很大的物体时，热电偶将接收辐射能而引起误差。5.1.1.2 热电偶固有特性引起的误差(1)热交换误差 这是由于被测对象和热电偶之间热交换不完善而引起的误差，由于这个误差的存在使得热电偶热端温度达不到被测温度，产生这个误差的原因是由于热辐射损失和导热损失。由于被测空间或被测物体与外界往往存在有温度差，从而存在热交换。当被测物体温度高于外界温度时，由于辐射热所产生的影响，热电偶测出的温度较之实际温度偏低。为减少此项误差，可采取如下措施： (a)尽量使管壁表面和被测介质温度相接近，即尽量减少它们之间的温度差， 可给管壁表面包一层绝热层 (如石棉等)。可在热电偶和管壁之间加装防辐射罩，以消除热电偶和管壁间的直接辐射作用。防辐射罩最好用耐高温和反光性强的物质做成;减少热电偶保护套管和热电极(无保护套管时)的黑度(辐射)系数。 (b)尽可能减少热电偶保护套管外径。 (c)增加被测介质的流速，以增加热电偶和被测介质间的对流传热。第 5 章 误差分析33 热电偶测温时的导热损失由热电偶本身的传导作用引起，在测温时热电偶本身受热程度不同，一部分热量从温度较高的热端经由保护套管、热电极等传到温度较低的冷端。这样热电偶测得的温度较之实际温度偏低，为减少此导热误差，可采取如下措施: (a)增加热电偶得插入深度。 (b)尽可能采用热传导系数小的材料作保护套管。当希望时间常数小，以减少动态误差时，则应采用热传导系数大的材料。 (2)热电特性不同引起的误差此误差是指补偿导线与热电偶材料在 0100oC 范围内因热电特性不同而产生的误差。影响热电偶及补偿导线热电特性的原因有两大类.(a)化学原因：热电极及补偿导线在使用中被氧化、腐蚀和沾污等。 (b)物理原因：:热电极及补偿导线在高温下晶粒长大、变形和引起机械应力等。 (3)冷端温度引起的误差 工业上用电子电位差计或动圈仪表来测温时，都用冷端补偿电桥来补偿冷端温度的变化.但只能在某两个温度点 (如 20和 50)完全补偿，从而在其它点引起了误差。 (4)绝缘不良引起的误差 在热电偶使用时，应注意两热电极之间以及它们和大地之间均应有良好的绝缘，否则将会有热电势损耗，直接影响测量结果的准确性，严重时会影响仪表的正常运行。 (5)寄生电动势引起的误差 从热电偶参考端到测量回路中，只要有很小的温度梯度，则在不同金属接触处将产生寄生热电动势，如果有水，可能还将产生化学寄生热电动势。为了消除化学寄生热电动势，应避免粘着水分。为了保证导线的物理化学性能相同，应从同一卷导线上截取，最好在冰点装置中将两根线短路，测量其寄生电动势，找出不产生寄生热电动势的导线。而且，整套测量装置要尽可能避免放在日光直接照射或者辐射以及容易引起温度梯度的场所，并采取必要的遮蔽和保温措施，可使寄生热电动势降至 1V 以下。 在应用热电偶测温时，首先必须正确地选型，合理地安装与使用，同时还必须避免污染，并尽可能地设法消除各种外界影响，以减少附加误差，达到测温准确、简便和耐用等目的。电子科技大学学士学位论文345.1.1.3 检定过程中引起的误差 在检定过程中可能引起的误差有:(1)标准热电偶的传递误差。在对热电偶分度时，存在标准热电偶自身的误差所引起的误差。(2)测量仪器的基本误差。由电位差计、毫伏计的精度等级决定。(3)视差。仪表的刻度很窄，有的一小格相当于 20，读数时对指针判断不 准确会引起误差，即所谓视差。5.1.2 单片机系统带来的误差 在单片机系统中主要是 A/D 转换器存在转换误差，即对于一个给定的数字量，实际的模拟输入与理论模拟输入之差。它是 A/D 转换器的量化误差、偏置误差、增益误差、非线性误差的综合结果。设数字量 D 理论上准确对应于模拟量输入 V，由 A/D 转换的原理(四舍五入)可知，当模拟量输入为 V1LSB/2 和V1LSB / 2 时，数字量仍为 D，通常认为这时误差为零。只有模拟量输入超出此范围，数字量仍为 D，这时误差不为零。例如 V1LSB，数字量仍为 D，我们说误差为1LSB/2。在 n 位 ADC 中12FSnVLSB （51） 其中：VFS是 ADC 的满量程输入电压。 在本设计中选用的是 12 位的 A/D 转换器 AD1674，为模拟量单极性输入，输入量从“10V10”引脚输入，故 VFS=10V，所以在本设计中，A/D 转换器的转换误差为121101.222 22 2nLSBVmv 当测量温度范围是 02000时，引起的最大误差为：121020002.42 2VC 第 5 章 误差分析355.2 系统动态误差5.2.1 动态误差概念温度的动态测量系统由温度感受元件（热电偶） 、传递放大环节、处理环节、记录显示环节等组成。从理论上讲，系统中的每一个环节都会使信号畸变，但由于实际系统中的传递、放大、显示记录等环节常采用通频带很高的电子放大器、示波器、磁记录仪等，它们的通频带比温度信号的频谱宽得多，所以不会使温度信号产生畸变。温度感受件所具有的热惯性，使其通频带处在较低的频率范围内，它实质上相当于一个低通环节。当测量快速变化的温度时，温度信号中的高频成分将会被感温件“滤掉” ，温度变化曲线中的陡峭部分将变得平滑。由显示记录仪得到的输出响应曲线和温度变化的真实时间曲线并不一致，二者之间出现的误差称为“动态误差” 。上面的分析说明，整个动态测试系统的特征将主要取决于感温件的特征，或者可以认为，系统中所用感温件的动态特性就是动态测试系统的特性，测试系统的特性确定了测试中的动态误差。5.2.2 感温件的动态特性温度测量系统的动态特性主要取决于感温件的动态特性，因此，需要了解感温件动态特性的表示方法和计算方法。作为近似分析，可以用集中参数来描述感温件储存的热量。如设 h 为感温件于周围介质的换热系数；F 为感温件的换热表面积；y 为感温件的温度时间函数；x 为周围介质的温度时间函数；m 为感温件感温部分的质量；c 为感温件感温部分的比热，则可得()dyhF xymcdt写成典型的微分方程式为mcdyyxhFdt令，代入上式得mchFdyyxdt电子科技大学学士学位论文36感温件的传递函数为( )W s （5-2）1( )1W ss上式说明，近似分析的结果，感温件可作为一阶惯性环节来处理。其传递函数的主要参数是时间常数，时间常数的数字越小，越能反映快变化的温度，为了使的数值小，必须使感温件的质量尽可能的小。所以，最常用的感温件是直径细小的裸丝热电偶。5.2.3 改善动态特性的方法和动态补偿5.2.3.1 改善动态特性的方法 为改善感温件的动态特性，必须减小感温件的时间常数。常用的减小感温件时间常数的方法有下面几种：(1)改进感温件的结构和减小感温件的尺寸对于有保护套管的热电偶或其他温度计，可以用导热好的材料做保护管，尽可能地减少感温件和套管件的空气间隙或者用导热好的材料填充在间隙内。测量变化较快的温度时，为了减小感温系统的质量，尽可能使用质量很小的裸丝热电偶，热电偶丝的直径越细，其时间常数越小。在气流横向流过裸丝热电偶时的时间常数与其直径 d 的 1.5 次方成正比，所以减小热电偶丝的直径，可以获得较好的效果。近年来，以镀膜方法形成的薄膜热电偶逐渐得到广泛应用，镀膜所产生的薄膜可以薄到只有几个微米，因此薄膜热电偶的时间常数很小，常用于测量快速变化的温度。对于裸丝热电偶来说，还可以减小其体积和表面积的比值，以增加换热效果。把热电偶的端部打平，也是一种提高响应速度的简单方法。(2)增加换热系数感温件的时间常数和测温系统的换热系数有很大关系，增大感温件与被测介质间的热交换系数会改善感温件的动态特性，使其时间常数减小。因此，在进行实际的动态测量时，应增大感温件测量端放置介质的流速和紊流度。在一些情况下，紊流度增加 1.5，时间常数大约可以降低 25左右。所以，应尽可能地把感温件放在紊流度大的地方。还应注意到，在测量过程中因该尽量减少感温件的辐射和导热的热损失，热损失越多对感温件的动态特征越有不良的影响，为此，应采用增加插入深度和采用屏蔽遮热罩等方法。(3)采用三接点热电偶第 5 章 误差分析37改善热电偶动态特性的另一个方法是采用结成差接形式的三接点热电偶。5.2.3.2 温度测量的动态补偿(1)动态补偿的原理前面说了，感温件在动态特性方面相当于一个低通环节，温度信号中较高的频谱成分通过感温件后，高频成分被衰减，测量结果出现动态误差。动态补偿的原理是，用一个在高频区有较大放大系数的环节和感温件串联，以扩大整个系统的通频带。从频域的意义上讲，动态补偿环节对高频成分有较大的放大系数。理想的补偿应该是补偿环节对高频成分的削弱作用相抵消，使具有动态补偿的系统，在要求的频谱范围内的放大系数接近常数，这就使得在要求得频谱范围内，输出和输入是一样得。在温度得动态测量中，多使用细丝热电偶，但由于振动、环境等因素的影响，常常不能使用过细的热电偶。动态补偿的采用可以在一定程度上解决这个问题，即能够用较粗的热电偶丝来测量相对的快变化温度。动态补偿是把被感温器件削弱的高频成分由补偿环节再予放大恢复，因此，对于那些已被感温件削弱到接近 0 的高频成分，是无法予以补偿的，另外，被削弱的高频信号幅值太小，则由于干扰、噪音等的影响也难以把它们恢复，所以，动态补偿的范围是有限的。(2)动态补偿的方法(a)用无源网络组成补偿器由于通常使用的感温件如热电偶等，其特性都近于一阶惯性环节，用无源元件 RC 或 RL 等可以方便地组成具有这类传递函数的网络。(b)有源网络组成补偿器由于集成运算放大器的普遍应用，用运算放大器可以方便的组成各种运算电路。运算放大器和电阻、电容组成的有一定放大倍数的微分电路可以方便地用于动态补偿上。使用有源网络组成的补偿器都具有一定的放大系数，所以它不需另外再使用放大器。用运算放大器组成的补偿器具有高的输入阻抗、低的输出阻抗、性能稳定等很多优点，可以完全取代上面的无源网络补偿器，从原理上讲，它和无源网络是相同的。(c)动态补偿计算法动态补偿计算的实质是对感温件测得的输出信号进行补偿处理。前面两种方法是使用补偿器来进行这种处理。也可以根据热电偶的输出曲线 y(t)和热电偶的频率特性，通过动态补偿计算得出被测温度曲线 x(t)，这种方法的优点是电子科技大学学士学位论文38不需要专用的补偿器。动态补偿计算方法本身在理论上讲是严格的，补偿的效果是好的，测量结果的准确性取决于热电偶动态特性的准确程度。第六章 结论与展望39第六章 结论与展望6.1 结论本文所研制的基于单片机系统的多功能温度测量仪是单片机控制的智能化仪器，它的主要特点是：(1)该仪器的数学模型、测量原理简单，选用精密测量元器件和抗干扰、低温漂的精密电子元件。(2)该仪器应用四种不同的传感器，用户可根据不同的测温范围选择合适的传感器，这就解决了一般温度检测仪表只针对一种热电偶的问题，使仪表的使用范围大大提高。(3)该仪器采用 AD590 集成温度传感器测量室温，很好地解决了热电偶冷端补偿问题，提高了测量准确度。(4)该仪器可以进行温度的实时显示。(5)该仪器的软件系统全部采用 C 语言编写，提高了程序的可读性和可移植性。(6)该仪器采用了热电偶测温的通用查表法，该方法很好地解决了热电偶热电势与温度值之间非线性的问题。(7)该仪器考虑了温度动态测量方面的内容，提出了如何对数据进行补偿，减小了系统的动态误差。多功能温度测量仪的研制开发具有广阔的应用前景，有待于进一步将其应用推广。经分析论证，误差很小：整个单片机系统稳定、可靠、准确。6.2 展望随着现代自动控制技术以及计算机技术的迅猛发展和日益完善，工业生产过程已经逐步走向标准化、自动化。同时对自动控制系统和检测装置提出了更高的要求。同样地，对于国内的仪器仪表的研制和开发行业以及生产和使用热电偶测温元件的厂家来说，热电偶的技术也在不断的提高和发展。然而，任何产品都有一个不断改进和完善的过程，只有在调试和使用过程中才能知道产品实际存在的问题。由于时间有限，希望以后能把通讯部分改进为无线传输方式，这样用户会使用的更加方便。希望完善本系统的动态温度测量部分的设计，使其成为行之有效的动态温电子科技大学学士学位论文40度测量系统。 增加本产品的实际使用性，将设计中的 PCB 板分成三块，即：信号输入PCB 板，单片机系统 PCB 板和键盘/显示 PCB 板。这样既减小了产品的体积，又可以降低数/模信号之间的干扰。致谢41致谢 本文是在导师郭辉副教授的悉心指导下完成的。在具体设计过程中，郭老师亲自指导，提出意见并改正。在短短三个月的毕业设计时间里，郭老师渊博的知识、宽洪的处世态度、忘我的工作热情使我受益非浅。在此，特向郭老师表示我的衷心的感谢和敬意，并祝郭老师身体健康，工作顺利。 在论文的撰写过程中，得到了同宿舍同学的关心和帮助，在此一并向他们表示诚挚的谢意。参考文献42参 考 文 献1.乐嘉华，温度检测技术的现状和未来J，煤油化工自动化，1998, (3): 36-382.张立儒，特殊条件下的温度测量M，北京：中国计量出版社，19963.王魁汉，温度测量技术M，沈阳：东北工学院出版社，19914.电子电路手册M，北京：高等教育出版社，19975.房小翠，王金凤.单片机实用系统设计技术M，北京：国防工业出版社，19996.胡国清，机电控制理论与应用荃础M，北京：机械工业出版社，19977.胡没，姚伯威.机电一体化原理及应用M，北京：国防工业出版社，19998.贾书圣，模拟电子线路M，北京：北京理工大学出版社，19969.陈焕生，温度测试技术及仪表M，北京：水利电力出版社，198511.王正洪，周振环.微机接口与应用M，北京：中国石化出版社，200013 朱宇光，单片机应用新技术教程M，北京：电子工业出版社，200014.钱逸秋，单片机原理及应用M，北京：电子工业出版社，200115.王常力，工业控制计算机一设计和应用M，北京：电子工业出版社，199816.张洪亭，测试技术M，沈阳：东北大学出版社，199617.张玲，热电偶测温误差分析J，企业标准化，2002, (1)：2018.逢玉台，王团部.集成温度传感器 AD590 及其应用J，国外电子元器件，2002, (7)：22-2419.曹建荣，姚庆梅，张枚.基于 1674 模数转换芯片的接口电路设计J，青岛大 学学报，2002, 17 (3)：20-2420.原志刚，宁百齐.基于 A/D 芯片 1674 设计的数据采集电路J，电子技术应用， 2001,(10)：72-75外文资料原文43外文资料原文TEMPERATURE TEST SYSTEM WITH TEST RINGS CONCENTRIC WITH A Franz L. SauerlandThe present invention relates to the temperature testing of electronic components and, primarily, the testing of electronic quartz resonators, whose electrical parameters are temperature dependent. For testing, a batch of resonators is mounted in a temperature chamber and heated or cooled to a specific temperature. When the resonator response has settled, it is measured. The process is repeated at other predetermined temperatures. For the measurement a test instrument is switched sequentially to each resonator by either electrical or mechanical means. FIG.1 and 2 give an example of prior art according to Reference 1. They show a plurality of components 1 supported on a flat test ring 3. Leads of each component are inserted in sockets 5 and 7. The sockets are connected with a first series of electrical contacts 9 on the opposite face is the ring. The test ring is mounted in a chamber 15 on a turntable means 17 which is linked via shaft 19 to a step motor 21 outside the chamber. An electrical connection assembly includes a pair of wiper springs 23 that, upon stepwise rotation, can connect the component leads to an adapter network 25(such as shown in FLG.4) connected to a measurement instrument 27 outside the chamber. A source of coolant 29 controlled by a valve 31 releases coolant, which is circulated by a fan 33 through a vertical, central inlet bore to the temperature chamber 15. A baffle 39 has an upper horizontal edge which directs the coolant through central apertures in the turntable 17 and test ring 3 and over the top of the ring, cooling the components before returning to fan 33. For temperatures higher than ambient, a heater 35 is used to heat the circulating air the thereby the components. The temperature is sensed by sensor 37. The motor 21 indexes the series of electrical contacts 9, 11 associated with each of the components 1 into e
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