课程设计热电偶自动检定系统的设计

第一章绪论1.1设计的意义1.1.1设计的背景与意义热电偶在出厂检验时或使用一段时间后，为保证其准确度和正常使用，要进行周期检定。

目前，工业上通常采用直接比较法检定，即将被校热电偶和标准热电偶直接比较的一种检定方法。

检定时，把被检热电偶和标准热电偶捆扎在一起，送入检定炉，测量端应位于检定炉均匀的高温区中，检定炉内的温度应恒定在被校温度点。

热电偶检定炉的温度控制，对于实验或生产过程有着十分重要的作用。

本温控系统是利用单片机、温度传感器、加热丝和A/D转换芯片等来实现的数字温度控制系统。

单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入控制。

同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的，可以容易地实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响。

因此，基于单片机的温度控制器，可以安全可靠地运行，智能地控制温度稳定在某一给定值，或者给定值附近。

本温控系统是用于对温度进行监测和控制的全自动智能调节系统，可以用在工业用电阻炉的温度控制中，实际应用表明该系统稳定性好、寿命长，能很好地满足生产和实验的需要。

在传统的检定过程中，用电位差计通过手动转换开关读取在不同检点的标准电偶、被检电偶的热电势，然后根据检定规程对检定数据进行手工统计处理，并把结果填表记录。

上述检定步骤中完全靠手工操作完成，不但人员劳动强度大，检定时间长，原始数据量大，运算处理较繁杂，容易出错，而且不可避免地产生人为误差。

检定工作的低效率，大大影响了企业质量保证工作的正常进行。

本论文结合某企业计量管理部门热电偶检定装置改造项目的实践，充分利用成熟的现代计算机控制技术和数据采集技术，以及目前丰富的软、硬件资源，研制了一种新型的标准热电偶微机自动检定系统。

系统选用的硬件设备体积小，功能强大，集成度高而且价格便宜。

系统软件设计选用高级计算机程序语言，所开发的工作平台面向对象，界面友好，功能完善。

数据采集和分析处理科学准确，简便快捷，整个检定工序基本符合国家检定规程，能够实现热电偶的温标传递工作，一次可同时校验多支不同型号的标准热电偶，精度要求完全满足企事业单位实际的检定需求。

1.1.2热电偶自动检定系统的研究现状目前无论国内还是国外，都对行业标准化有了足够的重视，但在我国毕竟起步较晚，对计量技术自动化和标准化的建设才刚刚开始，介绍国外计量行业检定技术的材料寥寥无几。

对国外先进检定设备的了解，只能靠已见刊的测量设备来推测。

总体上说，国外在检定精度上发展较快。

上个世纪末国内电子仪器仪表市场几乎完全被国外拥有先进技术的产品所占领。

国外较早研究的是美国国家航空与航天局(NASA)的引力材料科学实验室(MMSL)，早在1991年就研制出热电偶自动校准系统，该系统当时可以对从室温到650℃范围内的K型热电偶进行校准，局限性较大。

美国Hart’S NVLAP accredited Metrology Laboratory使用比较法可以对--200"cN 1100℃测温范围的温度计进行自动校准。

Fluke Corporation(美国福禄克公司)针对本公司生产的几种型号的恒温装置，温控器及电测仪表，研制了9938METfFEMP温度自动校准软件，可以把该公司的硬件装置组合起来，构成一套温度自动检定系统。

近几年来，在国家大力扶持下，一些技术先进的仪器仪表厂家逐渐兴起，国内对热电偶自动检定技术的研究也处于百家争鸣的时代，所研制的检定设备也层出不穷，花样不断翻新。

国内生产开发工业热电偶自动检定系统的厂家主要有：浙江洞头自动化仪表厂、北京中航机电研究所、西航电子仪器厂、泰安智能仪器仪表厂、北京康斯特科技、上海华易电子有限公司、北京斯贝克科技有限公司、上海嘉翎仪表材料科技研究所以及其它一些厂家。

热电偶检定方法可采用双极比较法、同名极比较法和微分法三种方法中的任意一种，目前的热电偶自动检定系统大都采用双极比较法。

它的检定过程如下：设定若干个温度检定点，当检定炉在某一设定温度点稳定以后，直接测量标准热电偶和被检热电偶的热电势，并分别转换成测量温度值，计算出被检热电偶与标准热电偶在当前检定点测量的热电势误差和温度误差，判断被检热电偶是否合格，如果合格则计算出检定温度点的测温修正值。

待所有设定检定点全部检定完成后，给出检定记录和检定证书。

不论是国外或国内研制的热电偶自动检定系统，大体由检定炉、数据采集系统、检定炉控温系统、数据处理子系统等四个部分组成。

组成原理框图如图1．1所示。

检定炉提供热电偶检定的温度源。

根据发热原理可分为电阻炉和黑体炉两种。

电阻炉是利用电流流过电阻丝进行发热，黑体炉是利用黑体的热辐射原理来获取检定温度。

图1.1 常见热电偶检定系统原理图(1)前置放大器+ⅣD 采集卡如将标准热偶及各被检热偶的热电势信号通过高性能多路开关(AD7506)选择切换，送入高精度增益可编程测量放大器(AD625)放大至0"---'2．5V ，然后进入模数转换器(AD7703)转换成20位的串行数据，再经移位寄存器变成并行数据，通过I ／O 口分段进入主机，完成数据采集。

这种方法将热电偶信号放大后，经A ／D 转换器转换成数字信号后读入上位机，然后由软件转换成相应的温度。

由于热电偶输出信号小，信号经放大器和A ／D 转换后，会产生较大误差。

而且，上位机得到的直接是温度值，不能进行热电偶mV 信号的比较。

(2)用高精度数字万能表直接读取热电偶的mV 信号，然后通过RS ．232或GPIB 通信口，传递给上位机。

现在市场上常用的数字万用表主要有以下几种：HY2003A 六位半热电偶热电阻测试仪、KEITHLEY2000数字万用表、HP34401A 数字万用表等。

，控温子系统系统对检定炉温度进行精确控制。

目前市场上出现的热电偶自动检定系统中控温模块采用两种方式：(1)用独立的智能表控温如用日本岛电公司的FP21智能温控仪、恒河公司的UP750等，上位机通RS ．485通信接口与智能表控制参数。

这种配置方法控制效果完全由控温仪决定，缺乏灵活性。

(2)上位机+D ／A 转换卡在这种方式中，控制算法由上位机软件实现，可以尝试采用不同的控制算法，达到更精确的控温效果。

数据处理子系统(上位机系统)对采集的热电偶数据进行计算分析，输出检定结果。

就调研和查阅所得的情况来看，可归纳为如下两大类：(1)微处理器型。

这种类型的检定设备，以各种各样的微处理器为智能核心，自组专用CPU 系统，将检测、控制和数据处理等各项功能设计在～块线路板上或一个机箱内。

其特点是体积小，成本低，自动化仪表程度高。

其缺点是开发阶段投资多，工作量大，线路复杂，专业性强，技术难度高，系统扩展性差，而且在显示及打印输出方面功能有限，故不易推广使用。

检定炉采样系统控温系统数据处理系统(2)通用微型计算机型。

这种类型的热电偶检定设备，直接利用目前迅速发展的微机控制技术进行开发，专门设计一个通信检测接口，利用计算机强大的智能控制和数据处理功能，结合可视化操作界面和高级程序设计语言，配合键盘、鼠标和打印机输入输出。

其特点是开发环境优越，技术难度和工作量小，检定精度高，人．机交互界面友好，功能齐全完善，扩展性强，故易于推广使用。

1.1.3热电偶检定系统的功能热电偶自动检定系统是一种计算机或单片机、电子技术、自动控制技术于一体的自动化检定系统，该系统以单片机或微型计算机为主题，由低热电势多路数据采集装置，高温控制系统，显示单元和主控制软件构成，主要用于自动检定各种工作热电偶，整个检定过程除需要检定员将热电偶、热电阻捆绑、接线外，其余均在计算机控制下由系统自动完成。

因此，可以实现对热电偶的快速检测，避免人为误差，提高了测量校验的准确度，并减轻了检定人员的劳动强度。

故该系统可广泛用于计量、军事、电力、石油、冶金、化工等部门。

第二章热电偶的工作及检定原理2.1热电偶的工作原理热电偶是由两种材料不同的导体组成的闭合回路，如图2.1所示，图中A、B为两种材料不同的热电极，1、2为两个接点。

当对接点1加热，接点1与接点2出现温差，回路中产生电流，这种现象称为温差电势（也称为塞贝克效应），相应地会产生位差电势（也称为塞贝克电势），回路中产生的电流称为热电流。

实验证明，当热电极材料一定后，热电动势仅与两接点的温度有关。

用热电偶测温时，将接点1焊接在一起置于被测温度场中，接点1称为测量端，接点2处在一个恒定的温度，称为参考端。

图2.1 热电偶结构图接点1、2的温度分别是T、T0时，热电偶回路中产生热电动势：（2-1）式中：为塞贝克系数，它根据热电极材料和两接点的温度而定；为接点的分热电动势；为总热电动势。

当时，的方向相同，与的方向相反；同理，当时，的方向相同，与的方向相反。

热电偶材料和两节点的温度影响热电偶总热电动势大小。

当热电偶的材料和参考端温度已知时，就是一个常数值，则热电偶总热电动势只与温度T有关，它们的关系式由2-1得：（2-2）因此，当一定时，热电偶的总热电动势随温度T的变化而变化，也可以说，一定的热电动势值对应着一定的温度，同时，一定的温度值对应着一定的热电动势值[7][8]。

公式（2-2）是热电偶测温和热电偶检定的理论基础。

2.2 热电偶回路的基本定律在利用热电偶测温时，必须在热电偶回路中引入连接导线和仪表。

为了更好的了解热电偶的测温特性，需了解四条热电偶的基本定律。

这些定律归纳为：均质回路定律、中间金属定律、中间温度定律、参考电极定律。

2.2.1 均质回路定律无论导体的截面、长度以及温度分布如何，均质导体组成的热电偶回路的总电动势为零。

可知：如果热电偶的两热电极的材料是均匀导体，那么热电偶的总热电动势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。

假如热电偶的两热电极材料不均匀，那么热电偶处于不同的温度场中时，热电偶闭合回路中就会产生非零热电动势，它将影响热电偶总热电动势的测量值。

热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的最要指标之一。

2.2.2中间金属定律在热电偶回路中，一般引入的中间导体的材料与热电极不同，那么，只要中间导体两端处于相同的温度场中，那么是否接入中间导体对热电偶回路的总热电动势是没有影响的。

因此，在热电偶回路中接入多种导体后，只要每一种导体两端的温度相同，那么回路中总热电动势就不会受到影响。

在热电偶检定和测温时，显示仪表和中间导线属于中间导体，根据热电偶中间金属定律，只要使得仪表和中间导线的两端温度相同，热电偶产生的总热电动势就没有影响。

2.2.3 中间温度定律如图2.2所示的热电偶回路，A 、B 为热电极，分别与连接导线和连接，接点温度依次为：T、、，那么回路的总热电动势等于热电偶的热电动势与连接导线、在温度、时热电动势的代数和：（2-3）导线连接回路当连接导线与热电极的材料相同时，公式2-3可化为：（2-4）中间温度定律热电偶检定和测温中导线补偿的理论基础。