基于热电偶的数字式测温仪设计

（1）热电偶输出的热电势信号一般都很小（mV 数量级），在进行 A/D 转换之前，必须经过高增益的 直流放大。
（2）热电偶的热电特性，一般来讲都是非线性的。 欲使显示数和输出脉冲数与被测温度直接相对应， 必须采用线性化措施进行非线性校正。可采用硬件 校正法或软件校正法。在带有计算机或微处理器的 测量系统中，非线性校正（和冷端补偿）工作，都 直接由计算机完成，即所谓“软件校正法”。所谓“硬 件校正法”即采用的是非线性校正装置。
������5
=
100 10
=
10，适当调整������������2
,可使放大倍数
������������ = 100。
图 2-1 温度测量及放大电路
▪2.2 冷端温度补偿电路
根据国际温标规定，热电偶的分度表是以 T0 = 0℃作为基准进行分度的，而在实际使用过程中， 自由端温度T0 往往不能维持在0℃，那么工作温度 为 T 时在分度表中所对应的热电势������������������(������, 0)与热电 偶 实 际 输 出 的 电 势 值 ������������������(������, ������0) 之 间 的 误 差 为 ������������������(������, 0) = ������������������(������, ������0) − ������������������(������0, 0) 。由此可见，差 值������������������(������0, 0)是自由端温度������0 的函数，因此需要对热 电偶自由端温度进行处理。而且在工程测温中，冷 端温度常随环境温度的变化而变化，将引入测量误 差，故对冷端进行处理和补偿十分必要。
（1-2）
由此可知，������������������(������, ������0)与 T 有单值对应关系，这 就是热电偶测温的基本公式。
1.1.2 热电偶的基本定律
1. 均质导体定律
两种均质金属组成的热电偶，其热电势的大小 与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布 无关，只与热电极材料和两端温度有关。
图 1-4 系统框图
对系统框图的说明如下：热电偶选用的是 K 型 热电偶（镍铬-镍硅热电偶），测温范围选用 0-1200 度，利用集成温度传感器 AD590 进行冷端补偿，放 大电路选用自动调零放大电路，A/D 转换器选用 TLC0832，单片机选用 AT89C2051，并扩 4 个 74LS164， 连接 4 个 LED 数码管。集成温度传感器 AD590 测量 冷端温度������0，其输出电流与绝对温度成正比 （1μA/K）,它相当于一个温度系数为1μA/K的高阻 恒流源。将输出电流通过电阻及放大器转换成电压 信号，送入 A/D 转换器转换为数字量，存放在内存 单元中，完成了对补偿电势的采样。由 K 型镍铬-镍 硅热电偶测量热端温度 T，经放大器放大，再由 A/D 转化器转换成数字信号，单片机将该信号与内存中 的补偿电势相加，得到真实的热电势值，并编程实 现计算温度值，转换为 BCD 码，利用单片机串口工 作方式 0（同步移位寄存器方式，多用于串并转换） 外扩四个 74LS164 及 LED 数码管，显示被测温度。
当热电偶两电极的材料不同，且 A、B 固定后， 热电偶的热电势������������������(������, ������0)便成为两端温度 T 和������0的 函数，即：
������������������(������, ������0) = ������(������) − ������(������0)
型号如下：
(1)（S 型热电偶）铂铑 10-铂热电偶 (2)（B 型热电偶）铂铑 30-铂铑 6 热电偶 (3)（E 型热电偶）镍铬-铜镍热电偶 (4)（K 型热电偶）镍铬-镍硅热电偶 (5)（R 型热电偶）铂铑 13-铂热电偶 (6)（J 型热电偶）铁-铜镍热电偶 (7)（T 型热电偶）铜-铜镍热电偶 本系统设计选用 K 型（镍铬-镍硅）热电偶，此热 电偶是目前用量最大的廉价金属热电偶，其用量为 其他热电偶的总和。K 型热电偶的正极为含铬 10% 的镍铬合金，负极为含硅 3%的镍硅合金。可测量 0～ 1300℃的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连 续使用，短期使用温度为 1200℃，长期使用温度为 1000℃。其主要特点如下： (1) K 型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵 敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价 格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为 用户所采用。
图 1-1 热电效应
如果热电极材质不均匀，则当热电极上各处温 度不同时，将产生附加电势，造成无法估计的测量 误差，因此，要求热电极材质均匀，克服因热电极 各处温度不同而造成的附加误差，热电极材料的均 匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。
2．中间导体定律
对于热电偶回路中热电势的大小，必须将其断 开，接入仪表才能测出其热电势值。所接入的仪表 是另一种材质 C 所构成的导体，如图 1-2 所示。闭 合回路中出现了除 A、B 电极以外的第三种导体 C 之 后，回路总的电动势会有什么变化呢？
（1-1）
也就是说，热电偶的热电势等于热端与冷端温
度 T 和������0所引起的电势差。 当������0保持不变，即������(������0) 为常数时，则热电势������������������(������, ������0)便为热电偶热端温度 T 的函数
������������������(������, ������0) = ������(������) − ������ = ∅(������)
(2) K 型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性 或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用 于弱氧化气氛中。当氧分压较低时，镍铬极中的铬 将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体 对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。
为了实现温度的数字测量和显示，或组成温度的 巡检系统，或向计算机过程控制系统提供温度信号， 都要对热电偶的热电势进行数字化处理。所以在采 用热电偶的温度数字测量系统中，最基本的环节是 热电偶和 A/D 转换器。使用时必须注意：
(3) 电阻温度系数小，电阻率小； (4) 材料复制性好，制造工艺简单，价格便宜。 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两 大类。所谓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 偶为国内统一设计型热电偶。
������������������(������, ������0) = ������������������(������, ������0) − ������������������(������, ������0)
(1-5)
根据标准电极定律，可以方便地选取一种或几 种热电极作为标准（参考）电极，确定各种材料的 热电性质，从而大大简化热电偶的选配工作。一般 选取纯度高的铂丝作为标准电极，确定出其他各种 电极对铂电极的热电特性，便可知这些电极相互组 成热电偶的热电势的大小。
D N 1HC G K 0 8 0 1 R K 3 7 0 + - U R 0 1 933ML K K 6 5 0 0 1 R 1 R 2 K U 0 K 933ML 0 0 1 0 + - - + 1 4 3 1 R R 933ML U K 0 2pR 0 1 K K 0 0 2 1 0 0 1 R 1 R 1pR 2 C Fu1.0 1 F u C 2 . 2 2 1 偶 电 热 t
由此可见，放大电路的必要性，此系统中温度测 量及放大电路如图 2-1 所示，电路中 A1、A2、A3 运 放组成同相输入并串差动放大器（仪用放大器），放 大倍数为
������������
=
(1
+
������3+������4)
������������2
������7 ������5
(2-1)
其中������7
图 1-2 中间导体定律
3. 中间温度定律
热电偶在接点温度为 T、������0时的热电势等于该热 电偶在接点温度为 T、Tn 时的热电势和 Tn、������0时相 应热电势的代数和，即
������������������(������, ������0) = ������������������(������, ������������) − ������������������(������������, ������0)
▪2 热电偶测温系统硬件电路设计
▪2.1 温度测量及放大电路
热电偶是工业上广泛使用的温度传感器，它最大 的优势就在于温度测量范围极宽，理论上从-270℃ 的极低温度到 2800℃的超高温度都可以测量，并且 实际应用中在 600℃-2000℃的温度范围内可以进行 最精确的温度测量。在化工、石油、电力、冶炼等 行业的自动化控制系统中热电偶发挥着对温度的监 控作用。
▪1 热电偶测温原理及系统框图
1.1 热电偶测温原理
1.1.1 热电偶工作原理
热电偶的基本工作原理是热电动势效应。
1823 年塞贝克发现，将两种不同的导体（金属 或合金）A 和 B 组成一个闭合回路（称为热电偶，见 图 1-1），若两接触点温度（������, ������0）不同，则回路中 有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象 称为热电动势效应或塞贝克效应，通常称为热电效 应。回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用 EAB （������, ������0）表示。两种不同的导体 A 和 B 称热电极， 测量温度时，两个热电极的一个接点置于被测温度 场（T）中，称该点为测量端，也叫工作端或热端； 另一接点置于某一恒定温度（������0）的地方，称参考 端或自由端、冷端。T 与������0的温差愈大，热电偶的热 电势也愈大，因此，可以用热电势的大小衡量温度 的大小。