热电偶传感器测温特性验证

摘要：本文主要根据热电偶传感器的基本原理进行了测温特性的验证將两种不同材料的导体或半导体A和B连接起来使其形成一个闭合回路,利用导体或半导体A和B的测温性能参数随温度变化而变化的特性并通过测量导体或半导体A和B测温性能参数的变化,从而得到被测温度的大小。
1.引言
       随着社会的发展,科学的进步，人们获得了越来越多的信息，同时也越来越简化信息的获取过程。传感器的发明就是人类历史上的一一个重要发明，随着信息的增多,对传感器的要求也随着提高。在要求传感器性能和可靠性提高的同时，也在不断完善对各种信号的检测。本文首先介绍了热电偶传感器的结构,功能及其应用前景。在工业生产过程中,温度是需要测量和控制的重要参数。在温度测量中，热电偶的应用是非常广泛的，热电偶具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高和便于远传等优点。另外,因为热电偶作为一-种有源传感器,测量时不需外加电源,使用时十分方便,所以常被用作测量仪器或管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。
2.热电偶传感器的介绍
       热电偶测温的基本原理是将两种不同成份的导体组成一个闭合回路，当两端存在温度差时,回路中就会产生电流并通过导体，此时两端之间就存在一种电动势,这种电动势称作为热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。将两种不同成份的均质导体当做热电极,温度较高的一-端导体是工作端,温度较低的另一端导体是自由端(冷端)。根据热电动势与温度的函数关系，可以制成不同热电偶的分度表;因为分度表是自由端的温度在0℃时的条件下所获得的,所以需要注意的是不同的热电偶具有不同的分度表。
       热电偶是-种优点很多的元件。它所能接受的温度范围非常广泛,并因其是坚固金属所以坚固耐用。热电偶的响应快甚至可以在0.001亳秒内产生反应。热电偶本身不需外接电源所以安全性高。人无完人,热电偶也是,它同样有缺点，热电偶需要将温度信号转化为电信号,这个过程需要信号的复杂调整,热电偶还容易受到外界的影响，所以热电偶的精度也较低,热电偶的两端为金属,会随着时间产生电解反应而发生腐蚀。
        当有两种不同的导体A和B组成一一个回路时，将其两端连接。当两结点处的温度不同，一端导体的温度为T,称为工作端或热端,而另--端导体的温度为TO，称为自由端或冷端，此时回路中将会产生一个热电动势,该电动势的方向和大小只与导体的材料及两接点处的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”,这两种导体称为“热电极”,产生的电动势则称为“热电动势”。如图1.

       热电动势是由两部分的电动势组成,-部分是由于两种导体的接触所产生的电动势,另一部分是单一导体的温差电动势。接触电动势与温差电动势相结合就是热电偶回路电动势。
热电偶回路电动势:EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)+EA(t,t0)-EB(+,t0)
t为实测温度;tn为冷端温度;EAB(t,0)为冷端温度为0C时,热电偶电势输出;EAB(t,tn)为冷端温度为tn'C时，热电偶电势输出;.EAB(n,0)为冷端补偿电势。
但需要注意的是,热电偶回路中热电动势的大小,只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关,而与热电偶的形状尺寸无关。
3.热电偶冷端补偿方案
       热电偶测:量温度时要求其冷端(测量端为热端,通过引线与测量电路连接的端称为冷端)的温度保持不变,热电偶的热电势大小与测量温度将会呈-定的比例关系。若测量时，冷端的外界环境温度变化,将会严重影响测量的正确性。在冷端采取一定措施来补偿由于冷端外界温度变化而造成的误差影响称为热电偶的冷端补偿。为了消除这种误差,必须进行冷端温度补偿。可以采用以下的几种方法:
1、将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温容器内(如冰水混合物),使冷端温度一-直处于0℃的状态下。
2.可以利用补偿导线，补偿导线是--种特种的导线,用于热电偶和二次仪表之间的信号传输,并能够消除热电偶冷端温度的变化引起的测量误差，用来保证仪表对介质温度测量。
3、用计算修正法来补偿冷端温度变化的对数据的影响,但这种方法只适用于实验室或临时性测温,而对于现场的连续测量并不实用的。
4.设计方案及其特点
本设计是基于STC89C52单片机的硬件设计。对于系统可分为下面两种不同的设计方案，如图2.

方案一:系统由K型热电偶和集成温度传感器AD590来测量热端和冷端温度,采用USB采集卡实现信号的采集并传输给计算机。根据热电偶中间温度定律,编制软件采用查表和曲线相互拟合进行非线性校正及冷端补偿。
方案二：控制电路是以单片机为中心控制其他部分完成各自的功能。其中模/数转换部分采用16位精度高的AD转化器AD7705,提高其抗干扰能力和精度。在电路设计上,数模转换部分采用精度高DA转换器AD421,该转换器采用了光隔离,控制AD421完成其功能,AD421为16位精度高数/模转按器，它将来自单片机线性化处理后的数据进行DA转化,产生电流,送控制中心。
5.调整参数设计
       本系统采用误差修正公式来清除系的误差,从输出端引反馈量到输人端来改善系统的稳定。测量值再加上冷端0℃时的热电势,现可用计算器来实现自动补偿计算。在无误差的理想情况下，有于是存在关系
y=Kx
在有误差的情况下，则有
y=K(x+E+y)
但应该注意的是,由于热电偶温度电势曲线的非线性，上面所说的相加是电势的相加，而不是简单的温度相加。
6.结语
       本文主要介绍了热电偶温度传感器的测温系统。本文对系统原理进行了概述。最后对系统进行了测试实验，完成了设计要求。