毕业论文：用集成温度传感器组成测温控制系统

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1、毕业论文：用集成温度传感器组成测温控制系统 太原科技大学毕 业 设 计（论 文）题目：用集成温度传感器组成测温控制系统姓 名_ _ 学院（系）应用科学学院 专 业_ 应用物理学班 级 041801 指导教师_ 08 年 06 月 01 日太原科技大学毕业设计（论文）任务书（由指导教师填写发给学生）学院（直属系）；应用科学学院应用物理系 时间： 08年03月01日学 生 姓 名指 导 教 师设计（论文）题目用集成温度传感器组成测温控制系统主要研究内容1.热电偶传感器的热电热电原理和集成温度传感器概况2.电流型IC温度传感器在控制方面的应用3.用AD590和热电偶组成测温控制系统研究方法1.学习探

2、讨总结典型热传感器和集成温度传感器。2.设计测温方案。根据相关资料和原理完成测温控制系统。主要技术指标 或研究目标 1. 掌握热电偶热电原理及冷端补偿方法.掌握AD590主要性能.2用AD590组成一个电炉温度控制系统.3. 设计一个用AD590作热电偶的冷端补偿并基于80C31单片机的钢水测温系统.主要参考文献魁汉.温度测量技术 沈阳:东北工学院出版社，1991胡汉才.单片机原理及接口技术 北京:清华大学出版社，1996,陈焕生.温度测试技术及仪表 北京:水利电力出版社 1995说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。目录太原科技大学毕业设计（论文）任务书2摘

3、要IIIAbstractIV第一章 绪论11.1引言11.2国内外状况和发展趋势11.2.1国内外钢水温度检测方法2第二章 两种典型温度传感器的探讨52.1温度传感器简介52.2热电偶测温原理82.3热电偶闭合回路的总热电动势82.4测温系统的信号采集部分构成设计92.4.1热电偶类型的选择102.4.2补偿导线的选择122.4.3热电偶的冷端补偿132.5 AD590集成温度传感器实验的探讨152.5.1 AD590温度传感器测温原理152.5.2 AD590的测温电路的设计与分析162.5.3 电流型AD590在控制方面的应用18第三章 智能化温度测量系统的硬件设计193.1系统总体设计1

4、93.2单片机介绍193.3信号输入部分设计213.3.1信号输入部分总体设计213.3.2 芯片选用及电路连接213.4单片机及其扩展I/O口的设计273.4.1地址锁存器273.4.2程序存储器扩展273.4.3数据存储器扩展293.4.4可编程并行I/0接口器件的扩展293.5键盘、显示器的设计313.5.1键盘313.5.2显示器323.6模拟信号输出部分设计353.6.1信号输出部分的总体设计353.6.2芯片的选择353.7 基于热电偶的多功能高精度度钢水测温仪37第四章 结论与展望404.1结论404.2展望40参考文献41致谢42用集成温度传感器组成测温控制系统摘要温度是一个基

5、本的物理量，它是工业生产过程中最普遍，最重要的工艺参数。它与多种工业产品的产量、质量和能耗等指标都有直接的关系，因此温度测量在工业生产中占有很重要的位置。而实际生产中，实现温度的准确测量并非是一件简单的事情，它与长度，质量等其他物理量的测定不同。无论采用准确度怎样高的温度计，如果温度计选择不当，或者测量方法不适宜，或者测量环境不合适，都不能得到所希望的测量结果。钢水的温度测量就更加困难。钢水温度之高，检测环境之恶劣使钢水温度测量成为炼钢工业中的一个难题。本课题就是针对钢水测温，并结合实际的测温环境，从特种测温传感器的设计到多功能智能化温度检测系统的硬件设计出发，研究钢水测温系统。该系统是以80

6、31单片机系统和传统的温度检测元件一热电偶相结合的温度测量系统。实际系统采用抗干扰、低零漂、低温漂的电子元件，性能稳定。该系统总体特点是使用简便、实用、测量稳定可靠、测温范围大、使用对象广。本文主要介绍了钢水温度的测量，包括温度传感器、单片机接口，大体分为以下几大部分: 1 介绍了国内外温度检测技术和特种测温 钢水温度检测 的发展状况，并且分析了温度检测技术的未来发展方向。 2 根据实际测量要求制定出一次仪表 温度传感器 的选择、使用和安装方案并且解决了热电偶测量过程中存在的冷端温度不为零摄氏度的传统问题 。 3 根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现多路量,数据采集数据处

7、理、温度值的在线显示、测量数据的打印。关键词；温度测量 热电偶 单片机With thermocouple and integrated temperature of sensor make of control systemAbstract Temperature, as a basic physical quantity, is one of the most universal and important technical parameters. It has a direct affect on targets o f many products, such as output, qu

8、ality and consumption of energy and so on, so measuring of the temperature is very important to industry production. In practice, it is difficult to measure accurately the temperature. Measuring of temperature is different from others, for example, measuring of length, measuring of mass. The system

9、of continuousmeasuring of the temperature of hot metal introduced勿the paper is the system of 8031 single-chip microcomputer and conventional measuring component-thermocouple. The mathematic model is appropriate, and measurement method is easy to be executed. The electronic components used are anti-j

10、amming, less zero-drift and less temperature-drift. The system is convenient and applicable. It is steady, reliable and so fit to use. A t the same time, it has larger scope of measurement and it can be used in many kinds of object measured. It has intellectualized the process.The thesis introduces

11、automatic measurement of temperature, including temperature sensor, I/0 of single-chip microcomputer and application software, It can be divided into five parts: 1 It introduces the development of temperature measurement and special temperature measuring-measurement of molten steels temperature, as

12、well as the development direction of temperature measurement in the future. 2 It provides the solution of temperature sensors selecting, using and setting. It solves the problem of thermocouple whose referenced ends temperature is not 0 in the course of measurement 3 According to the practical deman

13、ds, I design corresponding hardware system. The system can realized at a acquisition, showing of temperature o n-line, printing of temperature .Keywords temperature measurement, thermocouple, single-chip microcomputer第一章 绪论1.1引言温度是一个基本的物理量，它是工业生产过程中最普遍，最重要的工艺参数。它与多种工业产品的产量，质量和能耗等指标都有直接的关系，因此温度测量在工业生

14、产中占有很重要的位置。而实际生产中，实现温度的准确测量并非是一件简单的事情，它与长度，质量等其他物理量的测定不同。无论采用准确度怎样高的温度计，如果温度计选择不当，或者测量方法不适宜，或者测量环境不合适，都不能得到所希望的测量结果。钢水的温度测量就更加困难。钢水温度之高，检测环境之恶劣使钢水温度测量成为炼钢工业中的一个难题。本课题就是针对钢水测温，并结合实际的测温环境，从特种测温传感器的探讨到多功能智能化温度检测系统的硬件出发进行钢水测温系统应用研究。1.2国内外状况和发展趋势随着工业的日益发展，温度检测技术也在不断进步。近年来，在温度检测领域内，除了原有的检测原理和技术如:物体热胀冷缩原理，

15、热电效应技术，热辐射原理等 外，多种新的检测原理与技术的开发应用也取得了实用性的重大进展。涌现出新一代温度检测元件。主要包括: 1 晶体管温度检测元件 2 集成电路温度检测元件 3 核磁共振温度检测器 4 热噪声温度检测器 5 石英晶体温度检测器 6 光纤温度检测器 7 激光温度检测器 8 微波温度检测器 9 红外测温仪总的说来,随着工业生产率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大,对温度检测的要求也愈来愈高。目前，在这方面的动向和趋势是朝着扩展监测范围 由一200- 3000向超高温、超低温发展 、扩大测量对象 由点测到线、面、体的测量，从工业到环境保护、实用电器、汽车工业及航空航天 ,发展

16、新型产品、适应特殊环境的测温、显示数字化、标定自动化等发展.1.2.1国内外钢水温度检测方法据了解,目前对钢水的测量主要是用间断法和连续法来间隔或者连续监测钢水温度。在方式上同其他领域的温度测量一样，也主要采用接触式和非接触式两种方式。 1 间断法钢水温度测量据调研国内外大多数钢铁企业采用一次性消耗式热电偶间断测量钢水温度。常用的间断钢水测温方法主要有以下几种: a 侵入式热电偶该方法被各国普遍使用。根据被测对象的不同，其结构也有差异，但其基本结构是把热电偶装在一根较长的钢管中，热电偶的测量端要焊接或绞接起来，热电极用瓷柱或钢玉管绝缘，未能经受钢水及炉渣的高温浸蚀，钢管的前端套有石墨管。在保证

17、测量准确度和不损坏枪体的情况下，应力求轻便，依据测量范围可选用下列不同的测温元件:热电偶:当温度高于1300时常选用S型、B型、WRe3-WRe25,W Re5-WRe26热电偶等;当温度低于1300时可选用N型或K型热电偶。热电偶丝直径0.3-0.8mm.保护管:浸入式热电偶采用的保护管有石英管 段时间可用到1700 、金属陶瓷保护管，有时也用氧化物、硼化物保护管等。无论何种保护管，其抗震性必须好，否则要经预热后才能慢慢地浸入钢水中。为了减少导热误差，保证测量准确，保护管应有足够的插入深度。 b 快速热电偶快速热电偶即快速测量金属熔体温度的热电偶。它是专为测量钢水、铁水及其他金属熔体的温度设

18、计制造的，目前世界上许多国家采用此种热电偶测量金属熔体温度。快速热电偶的工作原理与一般热电偶相同。快速热电偶主要包括普通型、无喷溅、感应炉用微型快速热电偶。 2 连续法钢水温度测量以上所述的是间断测量温度，但近几年来，随着连铸和炉外精炼技术的迅猛发展，世界各国开始致力于钢水的连续测温。只有连续测温才能及时反映炉内冶炼过程的温度变化，弥补间断测温的不足。但目前还没有一项成熟的技术能做到这一点，钢水连续测温一直是PA待解决的重大研究课题之一。国内外该项研究主要集中在改进热电偶保护套管材质上，近二、三十年来，金属陶瓷材料得到了迅猛的发展，它的优异性能使其在各种技术领域得到应用，特别在冶金高温领域，金

19、属陶瓷材料的耐高温、耐侵蚀和抗震性能引起冶金工作者的注意。采用耐高抗渣的金属陶瓷保护套管，然后浸入钢水中测量温度己被证实是可行的。关于钢水连续测温，以前只在带有等离子加热调温装置的连铸中间包试用，尚未普及。工业实验结果表明:新研制的温度传感器和上插安装方式用于中间包连续测温是可行的;连续测温精度与传统的点测方式相比，只要二者插入位置相同，偏差2以内。目前，世界上仅少数国家实现了钢水连续测温，较成功的有日本、比利时等国家，且钢水连续测温费用高，日本产传感器的价格每只约合人民币2万元。连续测温传感器的价格过高，无论国内还是国外的钢铁厂都难以承受，1996年以后基本上处于停顿状态。因此，测温今后的主

20、攻方向是降低传感器的成本，提高实用性。目前,钢水测温主要采用热电偶加保护管的方法进行监测温度1974年我国研制出Mo-MgO金属陶瓷热电偶保护管，1975年在鞍山钢铁公司150t转炉上用更换套管法，两次突破全炉役钢水连续测温。据资料表明我国转炉钢水连续测温技术己经达到世界先进水平，但是没有普及。各国主要用于钢水连续测温的热电偶保护管如表1.1所示。据我们所查到的有关资料可以知道，钢水连续测温技术尚为成型。钢水测温环境恶劣，要实现连续测温，必须解决在特定环境下温度传感器的保护这一技术难题。表 1. 1 钢水测温用热电偶常用保护管the common protect pipe of therrno

21、cole used in continuously measuringof molten steels temperature根据调研,目前我国转炉钢水温度测量多采用快速热电偶间断测量，即所谓的点测方法。同点测相比，连续测温有许多优点:提高转炉终点温度控制命中率;提高炉龄;减少铁合金消耗量;能提供必要的工艺参数。.第二章 两种典型温度传感器的探讨2.1温度传感器简介温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用

22、温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。 ? 一、模拟温度传感器? 传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处

23、理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。这里主要介绍该类器件的几个典型。? 1、AD590温度传感器? AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为330V，输出电流223A（-50）423A（+150），灵敏度为1A/。当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为喻出电压。注意R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源，最高可达20M，所以它不必考

24、虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。? 2、LM135/235/335温度传感器? LM135/235/335系列是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，工作特性类似于齐纳稳压管。该系列器件灵敏度为10mV/K，具有小于1的动态阻抗，工作电流范围从400A到5mA，精度为1，LM135的温度范围为-55+150，LM235的温度范围为-40+125，LM335为-40+100。封装形式有TO-46、TO-92、SO-8。该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。? 二、逻辑输出型温度传感

25、器? 在许多应用中，我们并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备，此时可选用逻辑输出式温度传感器。LM56、6501-6504、6509/6510是其典型代表。? 1、LM56温度开关? LM56是NS公司生产的高精度低压温度开关，内置1.25V参考电压输出端。最大只能带50A的负载。? 电源电压从2.710V，工作电流最大230A，内置传感器的灵敏度为6.2mV/，传感器输出电压为6.2mV/T+395mV。? 2、6501/02/03/04温度监控开关? 6501/02/03/04是具有逻

26、辑输出和SOT-23封装的温度监视器件开关，它的设计非常简单：用户选择一种接近于自己需要的控制的温度门限（由厂方预设在-45到+115，预设值间隔为10）。直接将其接入电路即可使用，无需任何外部元件。其中6501/6503为漏极开路低电平报警输出，6502/6504为推/拉式高电平报警输出，6501/6503提供热温度预置门限（35到+115），当温度高于预置门限时报警；6502/6504提供冷温度预置门限（-45到+15），当温度低于预置门限时报警。 对于需要一个简单的温度超限报警而又空间有限的应用如笔记本电脑、蜂窝移动 等应用来说是非常理想的，该器件的典型温度误差是0.5，最大4，滞回温度

27、可通过引脚选择为2或10，以避免温度接近门限值时输出不稳定。这类器件的工作电压范围为2.7V到5.5V，典型工作电流30A。? 三、数字式温度传感器? 1、6575/76/77 数字温度传感器? 如果采用数字式接口的温度传感器，上述设计问题将得到简化。同样，当A/D和微处理器的I/O管脚短缺时，采用时间或频率输出的温度传感器也能解决上述测量问题。以6575/76/77系列SOT-23封装的温度传感器为例，这类器件可通过单线和微处理器进行温度数据的传送，提供三种灵活的输出方式-频率、周期或定时，并具备0.8的典型精度，一条线最多允许挂接8个传感器，150A典型电源电流和2.7V到5.5V的宽电源

28、电压范围及-45到+125的温度范围。它输出的方波信号具有正比于绝对温度的周期，采用6脚SOT-23封装，仅占很小的板面。该器件通过一条I/O与微处理器相连，利用微处理器内部的计数器测出周期后就可计算出温度。? 2、可多点检测、直接输出数字量的数字温度传感器DS1612? DS1612是美国达拉斯半导体公司生产的CMOS数字式温度传感器。内含两个不挥发性存储器，可以在存储器中任意的设定上限和下限温度值进行恒温器的温度控制，由于这些存储器具有不挥发性，因此一次定入后，即使不用CPU也仍然可以独立使用。温度检测有许多方法，但考虑到实际应用于高温测量，同时要将温度信号转变成电信号来处理，因此采用热电

29、偶来作为检测系统的一次仪表。热电偶结构简单、容易制造、价格便宜、准确度高、测温范围广，目前己经在许多场合有所应用。因此，本文中主要讨论热电偶和AD590的详细情况.2.2热电偶测温原理热电偶是热电温度计的敏感元件,它是一种将温度转换为电势大小的热电式传感器。它的测温原理是基于1821年赛贝克发现的热电现象。两种不同的物体A和B连接在一起，构成一个闭合回路，当两个接点1和2的温度不同时 见图2.1 ，如T To，在回路中就会产生热电动势，此种现象为热电效应。该热电动势就是著名的“赛贝克温差电动势”，简称“热电动势”.记为导体A, B称为热电极。接点1通常是焊接在一起的，测量时将它于测温场所感受被

30、测温度，故称为测量端。接点2要求温度恒定，称为参考端.热电偶就是通过测量热电动势来实现温度测量的.2.3热电偶闭合回路的总热电动势热电偶产生的热电动势实际上是由接触电势和温差电势所组成。接触电动势是由于两种不同材质的导体接触时产生的电势，而温差电势则是对同一导体当其两端温度不同时产生的电势。在图2.1所示的闭合回路中，两个接触点有两个接触电势与 To ，又因为T To，在导体A和B中还各有一个温差电势。因此闭合回路总电动势应为接触电势与温差电势的代数和，即: 2.1 各接点的分热电势。等于相应的接触电势与温差电势的代数和 2.2 式中，为汤姆逊系数，它表示温差为10C 或1K 时所产生的电动势

31、值，它的大小与材料性质及两端温度有关。在总电动势中，接触电势较温差电势大得多，因此，它的极性也就取决于接触电势的极性。当T T。时与总热电动势的方向一致，而与总电动势方向相反。所以总热电动势可表示成如下形式 2.3 由此可见，热电偶回路的总热电动势等于各接点分电动势的代数和 2.4 对于己选定的热电偶，当参考端温度恒定时，为常数C，则总电动势就变成测量端温度T的单值函数 2.5 上式表明，当恒定不便时，热电偶所产生的热电动势只随测量端温度变化而变化，即一定的热电动势对应着一定的温度。在热电偶分度表中，参考端温度均为0以，测量热电动势的办法能够测温，这就是热电偶测温的基本原理。2.4测温系统的信

32、号采集部分构成设计温度作为被测物理量，必须经过测温元件检测。由于采用的不是现成的测温仪表，因此首先应将温度转换成单片机可以处理的信号。在此选择热电偶来完成温度向电压信号的转换。2.4.1热电偶类型的选择数据采集部分由热电偶来完成。作为测温的一次仪表，对它的选择将直接影响检测精度。热电偶包括标准化、非标准化以及非金属热电偶，由于本温度检测系统主要用于金属液体、加热炉的温度测量，大多数为高温环境，因此在选择热电偶时，热电偶的使用范围、使用气氛尤其重要。本仪器本着通用性出发，设计时考虑到仪器应适合多种热电偶测量，这样能大大提高仪器使用范围，用户可根据不同的测温范围选择相应的热电偶。本系统采用4种热电

33、偶，分别是:乌徕3一乌徕25热电偶，铂锗30一铂锗6 双 铂锗 热电偶，铂锗13一铂热电偶，镍铬一镍硅热电偶。各种热电偶的使用温度限制如表2.11，用户可以根据实际测量温度范围选择合适的热电偶，以便满足使用要求又不浪费。2.4.1.1乌徕3一乌徕25热电偶乌徕3一乌徕25热电偶是非标准化热电偶，目前由于生产工艺的改进，国产的该种热电偶的热电极丝均匀性很好，互换性很强，实现了统一分度，并与国际一致。该热电偶的特点是:热电极丝熔点高 3300 ,蒸汽压低，极易氧化;在非氧化气氛中化学稳定性好;热电动势大，灵敏度高，价格便宜。乌徕3一乌锌25热电偶的电极丝直径通常为0.2-0.5mm,精度为1%t，

34、也可达0.5 %t或更高。因此在实际应用过程中，可根据实际要求的精度选择不同精度的本系列热电偶。乌徕3乌徕25热电偶温度上限很高，最高使用温度达到2800 ，而且稳定性好。乌徕热电偶极易氧化，适于在惰性或干燥氢气中使用，或用致密的保护管使之与氧隔绝才能使用。炼钢过程中的钢水温度高达1700左右，为了能够连续测量高温，必须采用能够耐高温的热电偶，乌徕热电偶长期使用的测量温度上限是2000短期使用时测量上限可达2800但在高于2300度时数据分散，因此最好在2000以下使用。根据该热电偶的特性以及实际使用和安装情况，选用该种热电偶进行钢水温度检测。它在2000时对应的输出电压是35.707mV.2

35、.4. 1.2铂铭30一铂锗6热电偶该种热电偶是一种典型的高温热电偶，分度号为B。它的正极为含锗30%的铂锗合金 BP ，负极为含锗6%的铂锗合金 BN 。两级均为铂姥合金，故称双铂锗热电偶。该种热电偶的特点是，在室温下电动势极小 25时为一21iV, 50时为3uV ，故在测量时可不用补偿导线，可忽略参考端温度变化的影响。它的长期使用温度为1600短期使用温度为1800铂锗6合金的熔点为1820，限制其使用上限。双铂锗热电偶的热电动势率较小，因此，需配用灵敏度较高的显示仪表。该热电偶在最高温度时的输出电压为13.814mVo2.4.1.3铂锗13一铂热电偶该热电偶正极为铂铭合金 RP ，负极

36、为纯铂 RN 。热电性能稳定、抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中使用。它的热电动势率较大，准确等级很高，通常用作标准，它的使用温度范围广、均质性及互换性好。该热电偶常用于高温测量，长期使用温度为1400。该热电偶最高使用温度为1600，对应的输出电压为18.842mV.2.4.1.4镍铬一镍硅热电偶该热电偶正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金 KN ,是K型热电偶，它的特点是使用温度范围宽，高温下性能稳定，热电动势与温度的关系近似线性，价格便宜。该热电偶可在氧化性及惰性气氛中连续使用，常期使用温度是100短期使用温度为1200经过选择后优质K型热电偶可以作为标准，用以分度工作用

37、镍铬一镍硅等贱金属热电偶。该热电偶是贱金属热电偶，价格便宜，在同一测温场所中,可多安装几只热电偶，利用其灵敏度高和热电特性近似线性的特点，达到准确测量的目的。该热电偶的最高使用温度是1300，对应的输出电压是52.398mV.2.4.2补偿导线的选择在一定温度范围内，与所用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线称为补偿导线。若与所配用的热电偶正确连接，其作用是将热电偶的参考端延伸到远离热源或环境温度较恒定的地方。通过使用补偿导线，可以改善热电偶测温线路的机械与物理性能，同时降低测量线路的成本。2.4.2.1补偿导线的原理由热电偶测温原理可知，图2.2所示的 a 回路的总电动势为 2.6 而

38、 b 回路的总热电动势为 2.7 因此，能满足式 2.7 要求的连接导线，就能起到补偿导线的作用。2.4.2.2补偿导线的型号与分类对标准热电偶来说,据热电偶补偿导线标准 GB4989-4990-85 ，其型号可分为SC, KC, KX, EX, JX, TX, NX，其中型号头一个字母与配用热电偶的分度号相对应。字母“X”表示延伸型补偿导线。字母“C”表示补偿型补偿导线。其中延伸型补偿导线是指能满足式 2.7 的条件，又能使式 2.8 成立。即其材质与所配用热电偶的热电极化学成分相同。补偿型补偿导线是指能满足式 2. 7 的条件，不能满足式 2.8 的条件，即其材质与所配用热电偶的热电极化学

39、成分不同，它只能在一定温度范围内与热龟偶的热电性能一致。A A B B 2.8 非标准热电偶一乌锌系列热电偶补偿导线，目前列于我国专业标准ZBN05002-88 中，其型号分为G型和H型。2.4.2.3补偿导线的使用原则补偿导线的选用遵循以下原则 1 各补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用。 2 补偿导线与热电偶连接点的温度,得超过规定的使用温度范围，通常接点温度在100以下，耐热用补偿导线可达200对延伸型补偿导线不应严格限制 。 3 由于补偿导线与电极材料并不完全相同 延伸型除外 ，所以,接点处两接点温度必须相同,则会引入误差。 4 在使用补偿导线时，切勿将极性接反。2.4.4.4使用补

40、偿导线后的修正现举例说明使用补偿导线后，实际的温度计算。采用K型热电偶测温时，电炉的实际温度t 1000 ，仪表的环境温度t 20，热电偶参考端温度 500,如果热电偶与仪表之间采用补偿导线和铜线连结，其计算结果如下。先由K型热电偶分度表查得 41.269mV,E ,p 2.022mV,E2O 0.798mVo当采用补偿导线连接时，根据中间温度定则，其显示仪表所指示的热电动势应为测量端与补偿导线自由端热电动势之差为 41.269-0.798 40.471mV 相当于980 2.9 当采用铜线连接时，根据中间金属定则，实际测出的热电动势为 41.269-2.022 39.247mV 相当于948

41、 2.10 由该例可以看出使用补偿导线可以大大提高测量准确性。2.4.3热电偶的冷端补偿2.4.3.1热电偶参考端温度的影响由热电偶测温原理可知热电偶的输出电压是 2.11 即，热电偶因温度变化产生的热电动势是测量端温度与参考端温度的函数差，而不是温度差的函数。那么，当参考端温度恒定时，热电动势就变成测量端温度的单值函数。我们经常使用的热电偶分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端为0作先决条件的。因此，在使用时必须保证这一条件，否则就不能直接应用热电偶分度表。如果参考端温度是变化的，引入的测量误差也是变量。由此可见，参考温度的变化将直接影响测量准确度。但在实际测温时，因热电偶的长度受到被测介质与

42、环境稳度的影响，不仅其参考端温度难以保持O，而且往往是波动的，无法进行参考端温度的修正。因此，要把变化很大的参考端温度所带来的误差通过采取一定措施予以补偿。2.4.3.2热电偶冷端补偿电路的设计由上一节我们知道，在一定温度范围内，补偿导线热电性能与热电偶基本一致。它的作用只是把参考端移至离热源较远或环境温度恒定的地方，但不能消除参考端不为零度的影响，因此必须进行冷端补偿。热电偶冷端 参考端 通常放在室内为室温，则需要对查表得到的温度进行冷端补偿，具体做法是采用AD590集成温度传感器测量室温.AD590是绝对温度/电流变换器。这种器件以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度灵敏度是1A/K。

43、它是两端器件，使用非常方便。作为一种高阻电流源，对于它不需要考虑传输线上电压信号损失和噪声的干扰问题，因此特别适合作远距离测量或控制应用。出于同样理由，AD590也特别适合用于多点测温系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引入的附加电阻造成的误差。由于采用独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光微调技术作最后的标定，具有很高精度当AD590两端加+4V30V电压时，呈现高阻抗，其输出温度与绝对温度成正比，能够保证在298.2K 25 时输出的电流为298.2uA，是一个线性温度恒流源。冷端温度测量放大电路如图2.3所示。图中，在AD590后采用一般运放构成增益为1的缓冲器 跟随器 ，

44、以提高输出带负载能力，其输出经多路转换开关送到模/数转换器输入端。单片机测得冷端温度后，加上查表所得温度即为热电偶测得的实际温度值。图2.3 冷端温度测量放大电路Figure2.3 Measure magnify circuit of cold end temperature2.5 AD590集成温度传感器实验的探讨目前,常用成品的电流型集成温度传感器并不如电压型的多，最具代表的是AD590集成温度传感器。AD590集成温度传感器的测温范围在55-+150之间，温度系数为1A /，并具有相当于绝对零度时输出电量为零的特性。该传感器属于电流型，其输入量为温度，输出为电流，体积很小，且具有互换性好

45、、线性度好、信号可长线传输、抗电压干扰能力强、长期稳定性高、配用电路简单等优点，因而已成为工业应用中测温范围在55 +150的首选温度传感器。2.5.1 AD590温度传感器测温原理某些结型半导体器件，例如二极管和三极管对温度呈现出敏感性，因而可用作温度敏感元件，因此可以利用这个特性，从它的输出电量的大小直接换算，而得到绝对温度值。AD590便是根据此原理制造的一种半导体集成温度传感器。电流型温度传感器，由于输出的是电流，传输线的电阻及接触电阻不会引起误差，因此适合长线传输，但要采用屏蔽线，以防干扰。图2-4为AD590型集成温度传感器的封装图及内部原理图。AD590只适用于直流电源工作，不需

46、要进行线性补偿，接口也很简单。其基本的工作原理是利用电路能产生一个与绝对温度成正比的电流输出，而作为绝对温度与电流的转换器件，实现温度一电流的转换。AD590的内部电路图中,R,的阻值为R，的四倍，它们俩的作用是控制流过T,-T;晶体管的总电流与晶体管的电流之比为4:1克服了因管集电极电位与其他PNP管集电极电位不同而引起的误差。的作用是将由产生的与绝对温度成正比的输出电压转换成电流，并对电流进行调节。的作用一方面是与对称以平衡的集电极电压，减小管基区调制效应引起的误差。另一方面，又起电源极性保护作用，防止电源极性接反而烧坏内部器件。 AD590在出厂之前，须对T,T6在25时进行激光微调，让

47、其输出温度表为NA/K。而实际上是达不到的，因此，根据校正误差的不同AD590又分为1, J, K, L, M几档，而AD5901的校正误差就达100在应用时，若不进行补偿，对测量的精度将产生较大影响。 图2.4 AD590的内部封装及内部结构2.5.2 AD590的测温电路的设计与分析有关AD590的测温电路在参考文献2中都有介绍，其具体电路如图2.5所示。由于AD590的输出是与绝对温度 K 成正比的，其在0时输出电流273.2uA，为了使AD590的输出与摄氏温度 成比例关系，电路中用一支稳压管2WD7C经R1电阻限流后，提供273.2uA的抵消电流,与AD590在0 273.2K 时输

48、出的电流相抵消。上的反馈电阻R2用来将lA/的电流调整到4mV/，使AD590在0-100的测量范围内的输出电压在0-4V之间变化。 由图2-10可得, I、，分别为图2.5 AD590电路测温原理图 2.12 I k t+273.16 2.13 2.14 其中k为温度系数，1UA/.根据电路原理，可得-I+ + 0 2.15 将 2-12 、 2-13 . 2-14 分别代入 2-15 ，可得: 2.16 则电压输出为: 2.17 若取273.16- 0. 则上式转化为: 2.18 则由可知,与t成线性关系.2.5.3 电流型AD590在控制方面的应用下图是AD590型传感器用于筒状电炉内部

49、恒温控制的实际应用电路。图中右侧的电路为可变脉宽调制器，以形成无开关控制的平滑响应。AD590的输出电流在反相运算放大器的负输入端与基准电流比较，为滤波器，将电流作加法运算，放大误差信号，根据温度值，调节脉冲宽度驱动加热器。为了获得最稳定的动态响应，将AD590用硅脂粘贴在加热器上。由于AD590电流输出型传感器与温度的比例关系为1A/K,可调整芯片上的薄膜温度，使温度为298.2K 25 ,输出电流为298.2A.这样就可以很方便的控制电炉温度.图3.7 用电流型AD590温度传感器的温度控制系统第三章 智能化温度测量系统的硬件设计3.1系统总体设计仪器总体原理框图如图3.1所示。整个仪器除

50、感温元件外，主要由隔离放大电路、数据转换电路、单片机、键盘显示电路、打印机以及上位PC机组成。感温元件检测温度后，将温度信号转变成电压信号，由于温度测量元件的输出电压非常小，因11 必须经过放大后才能被准确测量。电压信号经过A/D转换后变成数字信号，由单片机进行数据处理及进行相应的显示。3.2单片机介绍本设计选用8031单片机，这种型号的单片机是Intel公司1980年推出MCS-51系列的8位高档机之一，其内部资源分配如下:八位CPU，寻址能力64KB: 128字节RAM; 4个八位I/0接口电路;一个串行全双工异步接口;5个中断源和两个16位定时/计数器。其中，4个I/O端口用于传送数据/

51、地址。由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上差别颇大，下面对I/0并行口进行说明:A PO口:PO口是一个漏极开路的8位双向UO端口，每位能驱动8个LS型TTL负载.共有8条引脚，有两种不同功能。第一种是8031不带片外存储器，PO口可 以 作 为通用帕口使用，用于传送CPU的输入/输出数据。这时，输出数据 可 以得 到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性;第二种是8031带片外存储器，PO口在CPU访问片外存储器时先用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据 。在本设计系统中由于功能需要，对存储器、I/O接口电路等均进

52、行了扩展,共扩展了48K存储器，属于第二种情况。B P1口:P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向1/0端口，在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器 地址90H 写入全1，此时P1口引脚由内部上拉高电平。当P1口作为通用1/0口使用时，P1.7-PLO的功能和PO口的第一功能相同，也用于传输用户的输入或输出数据。在本系统设计中，P1口没有使用,可用于以后的功能扩展。C P2口:P2口也是一个带内部上拉电阻的8为准双向I/0端口。P2口的每一位能驱动 吸收或输出电流 4个LS型TTL负载。它也有两种功能。第一功能是可以作为通用Vo口使用;第二功能是和PO口第二功能相配合，用于输出片外存储器

53、的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但不能象PO口那样传送存储器的读写数据.本设计中，P2口的高六位作为片选地址线，接两片地址译码器74LS138的A,B,C引脚。D P3口:是一个带内部上拉电阻的8位准双向v0端口，第一功能和P0, P1,P2的第一功能相同，第二功能作为控制用，每个引脚功能各不相同，如表3.1所示 3.3信号输入部分设计3.3.1信号输入部分总体设计热电偶输出的是模拟电压信号，首先经过隔离放大器将输入与输出进行隔离，然后通过放大电路将微弱的电信号放大为与A/D所匹配的输入电压。由于单片机只能处理数字信号，故需对这些信号进行A/D转换，变为数字信号。该部分主要由一片隔离放大

54、器ISO100、一片单片集成测量放大器AD521来实现隔离和放大;采用1片8选1的模拟开关CD4051将输入信号和冷端补偿信号引入;采用一片AD1674将输入的模拟信号转变为数字信号送入数据存储器。输入部分模块如图3.2所示。3.3.2 芯片选用及电路连接1 隔离放大器在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压或其它电磁干扰损坏测量回路，通常在输入通道采用隔离技术。实现隔离的一种很有用的器件是隔离放大器隔离放大器是输入边和输出边间电绝缘的放大器。隔离放大器分为两类:一类是电磁祸合隔离放大器，也称为变压器祸合隔离放大器;另一类是光电祸合隔离放大器。一般地讲，变压器祸合隔离放大器有比光电祸合隔

55、离放大器更高的精度 可达0.01% ，但速度比光电祸合隔离放大器慢。本设计中选用ISO100进行隔离，它是一种小型廉价的光电隔离放大器。其内部通过LED发光激励，光电管接收传输，t实现输入和输出间的电隔离。隔离电压高达750V。在240V/50HZ时，输出、输入回路的漏电流小于0.3A。ISO100基本上是一种单位增益电流放大器，由于输入回路和输出回路间通过光电祸合传送信号，因而具有高压隔离性能。它既可以工作在单极性模式，也可工作在双极性模式:既可工作于输出电流模式，也可工作在输出电压模式。该隔离放大器的特点是体积小、失调电压低、漂移小、频带宽、漏电流小和价格低。在测温电 路中，ISO100的

56、接法如图3.3。该电路采用双极性工作方式，整个电源由722隔离电源提供。热电偶的测量温度变化时，热电偶能给出mV级的电压信号，为了保证双极性时的线性状态，必须通过输入电阻R4将电压信号转为士1OuA的电流信号。在输出端可得到与温度成正比的电压信号.由于要求输入电流在0 范围内，因此必须正确选择电阻R4。本设计中采用四种热电偶，各种热电偶输出电压范围不同.因此必须以最大的输出电压为基准进行设计。由前面可知镍铬一镍硅热电偶的电压输出最大约为53mV。因此可以求得R4的电阻值为； 3.1 在此选取R4为6K. 2 测量放大器热电偶的输出电压经过ISO100隔离放大 单增益 后，将输出电压送给测量放大

57、器进行放大，以便放大后的输出电压和A/D转换器的量程相匹配。测量放大器的输入阻抗高，易于与各种信号源相匹配。它的输入失调电压、输入失调电流及输入偏置电流小，时间漂移小，因而稳定性好。它的共模抑制比大，适用于在大的共模电压背景下对微小差模信号的放大。它是一种高性能的放大器，常用于热电偶、应变电桥、流量计量、生物测量以及其它有较大共模干扰下的本质上是直流缓变的微弱差模信号放大051本设计中选用AD521，它是美国AD公司生产的第二代单片集成精密仪表放大器。AD521的特性参数如下；A 放大倍数，可调范围为0.11000.B 温度稳定性为 3 0.05G PPM/C 失调电压为0.5mV.D 差模输

58、入电阻为3X.E 共模输入电压为6X.F 温漂系数为1.5V/.它的实际接法如图3.4所示, AD521的输出为； 3.2 式中输入差模信号为。改变和g就可以改变放大器的放大倍数。选用 100K可以得到稳定的放大特性，放大器的倍数在01000之间可调.使用AD521时，要特别注意为偏置电流提供回路。为此，输入 引脚1和引脚3 端必须与电源的地线相连构成回路.3 测量放大器电阻Ra的选取由图3.3可知，测量放大器的输出将送给A/D转换器AD1674，为了保证测量准确度，必须使输出电压和A/D转换器的量程相匹配。在本设计中，允许采用四种热电偶作为温度测量元件，各种热电偶的输出电压范围不同，因此必须

59、对各种热电偶匹配不同的放大倍数，使它们将各自输出的微弱电压信号经过不同放大倍数的放大后都能达到A/D转换器的满量程。由AD521的连接图可知，该设计中采用单极性模拟量输入，满量程为OVIOV ，因此各热电偶测得的温度值转变成微弱的电压信号后，经过AD521放大后都要达到10V .下面针对各种不同的热电偶进行放大倍数和Re,值的选取。铂锗30一铂锗6 双铂锗 热电偶该热电偶在01820的温度范围内的输出电压为013.841mV，若经过隔离放大后要达到01OV，则放大倍数应为: 3.3 由此可得: 3.4 B 铂锗13铂热电偶该热电偶在0-1760的温度范围内的输出电压为021.006mV，若经过

60、隔离放大后要达到0IOV，则放大倍数为: 3.5 由此可得： 3.6 4 模拟开关在该设计中热电偶的冷端补偿和显示系统处于同一温度下，为了实现热电偶的冷端补偿，就必须测量出所处环境的温度。在此采用AD590作为环境温度的检测元件，其输出同样是模拟信号，因此也必须经过A/D转换器进行转换，为了降低成本，可以和热电偶的输出电压信号共用一个A/D转换器，因此就要用到多路转换开关，实现两路信号的选择。选用的CD4051是单片集成的CMOS8通道模拟多路开关，它有三个输入端A,B,C和一个禁止端INH。从ABC输入的信号用来选择8个通道中的一个。INH 1时，通道断开，禁止模拟量输入;当INH O时，通

61、道接通，允许模拟量输入。其主要参数: 导通电阻RON典型值为400 ; 输入电容C, 7.5PF; 导通电阻路差RON 10; 平均延迟时间320ms5 A/D转换器的选择本设计中选用的AD1674是AD574/AD674的换代产品，完全兼容AD574/AD674芯片的引脚、应用特性及诸方面的功能。AD1674主要有如下特点, A 12位逐次逼近式ADC，转换速度仅为lob，适合在高精度快速采样系统中使用。 B 其内部集成有转换时钟、参考电压源和三态输出锁存器，使用方便，可与微机直接接口。 C 输入模拟电压既可以是单极性也可以是双极性。单极性输入时为0+1OV;双极性输入时为土5V或10V . D 该芯片自带采样保持器，可直接与被转换的模拟信号相连，而且性能价格比高。该芯片共有6根控制线: 为片选线，低电平有效，接至译码器的输出线;CB为片选使用线,高电平有效，由8031的和与非之后控制;为读出/转换控制线.若使为为0