熱電偶

熱電偶（thermocouple）是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用。

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測(cè)量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測(cè)量時(shí)不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。

工作原理

當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T(mén)，稱(chēng)為工作端或熱端，另一端溫度為T(mén)0 ，稱(chēng)為自由端（也稱(chēng)參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱(chēng)為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱(chēng)為“熱電極”，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)則稱(chēng)為“熱電動(dòng)勢(shì)” 。

熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分電動(dòng)勢(shì)組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)。

熱電偶回路中熱電動(dòng)勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無(wú)關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢(shì)便是兩接點(diǎn)溫度t和t0。的函數(shù)差 。

這一關(guān)系式在實(shí)際測(cè)溫中得到了廣泛應(yīng)用。因?yàn)槔涠藅0恒定，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)只隨熱端（測(cè)量端）溫度的變化而變化，即一定的熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)著一定的溫度。我們只要用測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)的方法就可達(dá)到測(cè)溫的目的 ［1］ 。

熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，

當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端（測(cè)量端為熱端，通過(guò)引線與測(cè)量電路連接的端稱(chēng)為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱(chēng)為熱電偶的冷端補(bǔ)償正常。與測(cè)量?jī)x表連接用專(zhuān)用補(bǔ)償導(dǎo)線。

熱電偶冷端補(bǔ)償計(jì)算方法：

從毫伏到溫度：測(cè)量冷端溫度，換算為對(duì)應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度；

從溫度到毫伏：測(cè)量出實(shí)際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度。

溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)，對(duì)溫度的測(cè)量在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工、國(guó)防、科研等領(lǐng)域中有廣泛地應(yīng)用。在某些特殊的場(chǎng)合對(duì)溫度的檢測(cè)速度有很高的要求，例如：在測(cè)量汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣的溫度的時(shí)候，就要求熱響應(yīng)時(shí)間小于1s；航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度測(cè)量要求0.4s內(nèi)完成等。因此針對(duì)以上問(wèn)題就有人提出溫度快速測(cè)量的思想。

通常用來(lái)測(cè)量溫度的傳感器有熱電阻溫度傳感器、熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器等幾種。這些常用溫度傳感器一般的溫度測(cè)量中可以滿(mǎn)足響應(yīng)速度的問(wèn)題。但在特殊的場(chǎng)合就不能達(dá)到快速檢測(cè)的要求，例如在氣體溫度測(cè)量時(shí)候，由于溫度傳感器自身的熱滯特性，而氣體傳熱過(guò)程又比較緩慢，氣體溫度測(cè)量就有很大滯后。工業(yè)常用的精度較高的溫度傳感器有鉑熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等。鉑熱電阻具有溫度測(cè)量范圍大、重復(fù)性好、精度高等特點(diǎn)，但是響應(yīng)不是很快，特別是在對(duì)氣體溫度測(cè)量時(shí)至少要幾秒鐘，在某些工作環(huán)境比較特殊的場(chǎng)合，如高壓環(huán)境下，還需使用鎧裝的鉑熱電阻，更是延緩了熱響應(yīng)速度。

半導(dǎo)體溫度傳感器分熱敏電阻和PN結(jié)型溫度傳感器兩種。熱敏電阻非常適合對(duì)微弱溫度變化的測(cè)量，但是缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重；PN結(jié)型的特點(diǎn)是體積小、線性輸出、精度高，但是不能使用在液體環(huán)境，對(duì)氣體溫度變化響應(yīng)也較慢［1］。所以用溫度傳感器一般都存在著對(duì)氣體溫度變化響應(yīng)較慢的問(wèn)題。

在對(duì)溫度實(shí)時(shí)性測(cè)量要求比較高的系統(tǒng)，運(yùn)用常用溫度測(cè)量方法很難做到對(duì)溫度的快速測(cè)量，對(duì)系統(tǒng)的精度影響就很大。在工業(yè)過(guò)程控制與生產(chǎn)制造領(lǐng)域普遍使用具有較高測(cè)溫精度及測(cè)溫范圍的熱電偶做測(cè)溫元件。在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶中，K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶由于具有價(jià)格低廉、輸出熱電勢(shì)值較大、熱電勢(shì)與溫度的線性關(guān)系好、化學(xué)穩(wěn)定性好、復(fù)制性好、可在1000℃下長(zhǎng)期使用等特點(diǎn)，因而是工業(yè)生產(chǎn)制造部門(mén)應(yīng)用最廣泛的熱電偶元件。

但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí)，卻存在著以下幾方面的問(wèn)題。①非線性：熱電偶輸出熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此在應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行線性化處理。②冷端補(bǔ)償：熱電偶輸出的熱電勢(shì)為冷端保持為0℃時(shí)與測(cè)量端的電勢(shì)差值，而在實(shí)際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需進(jìn)行冷端補(bǔ)償。③數(shù)字化輸出：與嵌入式系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口，而作為模擬小信號(hào)測(cè)溫元件的熱電偶顯然無(wú)法直接滿(mǎn)足這個(gè)要求。在許多熱工實(shí)驗(yàn)中，往往面臨熱電偶冷端溫度問(wèn)題，不管是采用恒溫補(bǔ)償法（冰點(diǎn)補(bǔ)償法）還是電橋補(bǔ)償法，都會(huì)帶來(lái)實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高、實(shí)際的檢測(cè)系統(tǒng)較復(fù)雜。

難以達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量、接口轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜等問(wèn)題，而隨著計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，溫度參數(shù)的微機(jī)化測(cè)量與控制已成為必然趨勢(shì)。因此我們必須解決對(duì)熱電偶測(cè)量信號(hào)的放大調(diào)理、非線性校正、冷端補(bǔ)償、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸出接口等一系列復(fù)雜的問(wèn)題，以及解決模擬與數(shù)字電路硬件設(shè)計(jì)過(guò)程和建表、查表、插值運(yùn)算等復(fù)雜的軟件編制過(guò)程，以達(dá)到使電路簡(jiǎn)化，成本減少，增加系統(tǒng)可靠性的目的。

鑒于上面的分析，本論文主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一種基于高精度K型熱電偶傳感器的快速測(cè)溫系統(tǒng)。采用帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675、K型熱電偶、89C52單片機(jī)、數(shù)碼管等元器件設(shè)計(jì)出相應(yīng)溫度采集電路、溫度轉(zhuǎn)換電路、溫度控制電路、超量程報(bào)警電路、數(shù)碼管顯示電路。系統(tǒng)用單片機(jī)對(duì)帶有冷端補(bǔ)償?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換芯片MAX6675進(jìn)行控制，要達(dá)到任務(wù)書(shū)中的技術(shù)指標(biāo)，使其具有良好的實(shí)用性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)固體表面、液體和氣體溫度的高精度快速測(cè)量。