智能检测系统 热电偶数字温度表

北京信息科技大学自动化学院实验报告课程名称智能检测系统实验名称热电偶数字温度表实验仪器专业自动化班级/学号自控0902/20090108 学生姓名实验日期实验地点成绩指导教师E AB （T ） 图2-2 接触电势 μ 一、实验名称：热电偶数字温度表二、实验设备热电偶、热电偶、PC 机、剥线钳、面包板、镊子、导线、电源、万用表、外围电路所需元器件、电源。

三、实验原理1、热电偶数字温度表原理框图：2、 热电偶1823年塞贝克（Seebeck ）发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势。

这个物理现象称为热电效应。

如图2-1：两种不同材料的导体A 和B ，两端联接在一起，一端温度为T0，另一端为T （设T > T0），这时在这个回路中将产生一个与温度T ，T0以及导体材料性质有关的电势EAB （T ，T0），显然可以利用这个热电效应来测量温度。

在测量技术中，把由两种不同材料构成的上述 热电交换元件称为热电偶，称A ，B 导体为热电极。

两个接点，一个为热端（T ），又称工作端，另一个为冷端（T0），又称为自由端或参考端。

热电势EAB （T ，T0）的产生，是由两种效应引起的：（1）、珀尔帖（Peltier ）效应：将同温度的两种不同的金属相互接触，如图2-2所示。

由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A 和B 的接触处会发生自由电子的扩散现象。

自由电子将从密度大的金属A 扩散到密度小的金属B ，使A 使去电子带正电，B 得到电子带负电，直至在接点处建立了强度充分的电场，能够阻止电子扩散达到平衡为止，两种不同金属的接点处产生的电动势称珀尔帖电势，又称接触电势。

此电势EAB(T)由两个金属的特性和接触点处的温度所决定。

根据电子理论： A 图2-1 热电效应 BB A AB n n e T K T E ln )(⋅=' 或：()B A o o AB n n e T K T E ln ⋅='式中： K ：波尔兹曼常数，其值为1.38×10-23J/K ；T ﹑T0: 接触处的绝对温度（Ｋ）；ｅ：电子电荷量，等于1.6×10-19C ；A n 、B n 分别为电极A 、B 的自由电子密度。

由于()T E AB '与)(o AB T E '的方向相反，故回路的接触电势为： B A o B A o AB AB n n e T K n n e T K T E T E ln ln )()(⋅-⋅='-' B A o n n T T e K ln )(-=（2）、汤姆逊（Thomson ）效应：假设在一匀质棒状导体的一端加热如图2-3所示,则沿此棒状导体有温度梯度。

导体内自由电子将从温度高的一端向温度低的一端扩散，并在温度较低的一端积聚起来，使棒内建立起一电场，当这电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用即停止，电场产生的电势称为汤姆逊电势或温差电势。

当匀质导体两端的温度分别是T 、T 0时，温差电势为：()dT T T E T T A A ⎰-=00,σ 或：()dT T T E T T B B ⎰-=00,σ 式中σ称为汤姆逊系数，它表示温差为一度时所产生的电势值。

σ的大小与材料性质和导体两端的平均温度有关。

是金属本身所具有的热电能。

它是以铂等标准电极为基准进行测量的相对值。

例如：铜和康铜的热电能在0~100℃温度范围内的平均值分别为7.6μV/℃和-3.5μV/℃。

通常规定：当电流方向与导体温度降低的方向一致时，则σ为正值，当电流方向与导体温度升高方向一致时，则σ取负值。

对于导体A 、B 组成的热电偶回路，当接触点温度T ﹥T 0时，回路的温差电势等于导体温差电势的代数和，即：()()()dT dT dT T T E T T E T T B A T T B T T A B A ⎰⎰⎰--=-=-00000,,σσσσ 上式表明，热电偶回路的温差电势只与热电极材料A 、B 和两接点的温度T ﹑T 0有关，而与热电极的几何尺寸和沿热电极的温度分布无关。

如果两接点温度相同，则温差电势为零。

TT 0 E A （T ，T 0） 图2-3 温差电势 μ图2-4 总热电势综上所述，热电极A 、B 组成的热电偶回路，当接点温度T ﹥T 0时，其总热电势为(如图2-4)()()()()()()()()()[]()()()()()()()()()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+--+=-+-+-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-=---=-'-+'=⎰⎰⎰⎰⎰0000''0''0''000''0000,,,,,T T B A AB T T B A AB T T B A T T B A AB AB T T B A ABAB B A AB ABA AB B AB AB n n n n dT T E dT T E dT dT T E T E dT T E T E T T E T T E T E T E T T E T E T T E T E T T E σσσσσσσσσσ()()0T E T E AB AB -=式中：E AB (T)：热端的分热电势；E AB (T 0)：冷端的分热电势。

从上面的讨论可知：当两接点的温度相同时，则无汤姆逊电势，即：()()O T T E T T E B A ==0000,,；而珀尔帖电势大小相等方向相反，所以()O T T E AB =00,。

当两种相同金属组成热电偶时，两接点温度虽不同，但二个汤姆逊电势大小相等、方向相反，而两接点处的珀尔帖电势皆为零，所以回路总电势仍为零。

因此：(1)如果热电偶二个电极的材料相同，二个接点温度虽不同，不会产生电势；(2)如果二个电极的材料不同，但两接点温度相同，也不会产生电势；(3)当热电偶二个电极的材料不同，且A 、B 固定后，热电势()0,T T E AB 便为二接点温度T 和T 0的函数，即()()()00,T E T E T T E AB AB AB -=当T 0保持不变，即E(T 0)为常数时，则热电势()0,T T E AB 便为热电偶热端温度T 的函数：()()()T f C T E T T E AB AB =-=0,由此可知，()0,T T E AB 和T 有单值对应关系，这是热电偶测温的基本公式。

热电偶的分度表就是根据这个原理在热电偶冷端温度等于0℃的条件下测得的。

热电极的极性：测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极。

在热电势符号()0,T T E AB ，规定写在前面的A 、T 分别为正极和高温，写在后面的B 、To 分别为负极和低温。

如果它们的前后位置互换，则热电势极性相反，如()()T T E T T E AB AB ,,00-=，()()T T E T T E BA BA ,,00-=等。

判断热电势极性最可靠的方法是将热端稍加热，在冷端用直流电表辨别。

3、 放大器热电偶输出的热电势信号，其大小只有毫伏级，不能做为后续电路的输入信号，必须进入前置放大器进行信号放大。

因此选用ICL7650作为放大器，它具有极低的输入失调电压（典型值为±1uV），失调电压的温漂和时漂也极低，分别为0.01μV/︒C和3.33nV/d。

也可选用OP-07超低失调运算放大器作为前置放大器，但是失调电压比ICL7650要大，因此，本方案采用ICL7650作为放大器。

ICL7650的使用方法比较简单，它和其他的运算放大器的使用方法类似，为了更好得起到放大的作用，需要对该芯片有一个电容补偿元件，电容的型号为104即可，ICL7650的芯片资料如下面所示：Cextb：外接电容1Cexta：外接电容2-Input：反向输入端+Input：同向输入端V-：负电源端Cretn：外接电容的公共端Output：输出端V+：正电源端Int/clk：时钟输出端Ext/clk：时钟输入图4-1 ICL7650为了更好的抑制共模输入，在运放的输入方式上选择同向输入，放大倍数是这样考虑的，K型热电偶的测温范围定在0到1299℃，E型热电偶的测温范围定在0到799℃，然后将微弱的毫伏电压放大到0到1伏的范围，用于后面的A/D转换环节。

那么运放的放大倍数如下：A=1+R2/R1选用镍铬—镍硅（分度号为K）的热电偶，要求测量范围为0～1299℃，满度1299℃时的热电势值为51.612mV，前置放大器的放大倍数A应为A1=A-1=1000/51.612-1=18.4若选用镍铬—铜镍（分度号为E）的热电偶，要求测量范围为0～799℃，满度799℃时的热电势值为59.825mV，放大器的放大倍数A1应为A1=A-1=1000/59.825-1=15.7本数字仪表选用两种型号的热电偶测温，则可通过切换开关改变放大器的放大倍数，使之满度时的放大器输出为1V。

4、A/D转换器考虑到本设计属于是一定范围内的温度测量系统，温度变化过程比较平稳，不需要高速的A/D变换器，所以采用3.5位的双积分型的A/D转换器MC14433。

MC14433是美国Motorola公司推出的单片3.5位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。

具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容元件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：(1) 精度：读数的±0.05%±1字(2) 模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档(3) 转换速率：2-25次/S(4) 输入阻抗：大于1000MΩ(5) 电源电压：± 4.8V～± 8V(6) 功耗：8mW（± 5V电源电压时，典型值）(7) 采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。

(8) MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。

图4-2 MC14433Pin1(VAG)—模拟地，为高阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。

Pin2( VR)—基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。

MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。

此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲(VR)，就能够复为至转换周期的起始点。

Pin3( Vx)—被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系：输出读数＝Vx/VR*1999因此，满量程的Vx=VR。