电子信息工程论文多功能温度测量仪

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1、安徽三联学院学年论文 多功能温度测量仪 on Multifunctional Temperature Measure Instrument专 业： 电子信息工程姓 名： 李 阿 芳 学 号： 1002044 指导老师： 张春光 欧书琴 2013年2月23日 信息与通信技术系摘要：本文主要介绍了温度的自动测量，包括温度传感器、单片机接口及其应用软件的设计，大体分为以下几大部分：介绍了国内外温度检测技术和特种测温一钢水温度检测的发展现状，并且分析了温度检测技术的未来发展方向；根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、 数据处理、温度值的在线显示以及时钟电路的时间显示；简略

2、介绍了该仪表的软件部分；对该温度仪表的未来发展进行了展望。多功能温度测量仪是以8051单片机系统和温度检测元件一AD590相结合的温度测量系统。本系统的数学模型合理，测量方法容易实现。实际仪器采用抗干扰、低零漂、低温漂的电子元件，性能稳定。该测量仪总体特点是使用简便、实用、使用对象广、并且实现了自动化。关键词：温度测量 多功能 单片机 on Multifunctional Temperature Measure InstrumentAbstract：The thesis introduces automatical measurement of temperature，including te

3、mperature sensor，I/ O of single-chip microcomputer and application software，it can be divided into some parts：It introduces the development of temperature measurement and Temperature measuring一measurement of molten steels temperature，as the development direction of temperature measurement in the fut

4、ure；According to the practical demands, I design corresponding hardware system；The system can realize data acquisition，showing of temperature on-line.I discuss the future of the instrument.The multifunctional temperature measure instrument introduced by the paper is the system of 8051 single-chip mi

5、crocomputer and conventional component一AD590. The mathematic model is appropriate，and measurement method is easy to be . The electronic components used are anti一jamming，less zero-drift and less temperature-drift. The instrument is convenient and ，it is steady，reliable and so fit to use. At the same

6、time, it has larger scope of measurement and it can be used in many kinds of object measured. It has intellectualized the process.Keywords: Temperature Measurement, -purpose, Single-chip Microcomputer 目 录 第一章 绪 论11.1课题研究背景11.2课程设计的内容21.3课题设计的目的和意义2第二章热电偶测温的基本原理22.1方案的提出22.2热电偶测温的基本原理22.3热电偶闭合回路的总热电动

7、势32.4数据采集部分的设计42.4.1热电偶的种类42.4.2热电偶类型的选择52.4.3补偿导线的原理72.4.4热电偶的冷端补偿92.4.5绝缘物与保护管的选择11第三章 温度测量仪设计方案133.1 系统总体原理框图133.2 系统中元器件的选择143.2.1 开关的选用143.2.2 I/O口的设计153.3 键盘、显示器的设计153.3.1键盘153.3.2显示器163.3.3 LED的工作原理173.3.4 8279键盘显示接口芯片17第四章误差分析184.1热电偶带来的测量误差184.1.1热电偶安装引起的测量误差184.1.2热电偶固有特性引起的误差194.1.3检定过程中引

8、起的误差204.2单片机系统带来的误差21致谢22参考文献23 第一章 绪 论1.1课题研究背景温度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。因此,能够确保快速、准确地测量温度的技术及其装置普遍受到各国的重视。近年来,利用多功能数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度检测技术的一种发展趋势。本文介绍的温度检测系统,以多功能数字式温度传感器与PIC 微处理器有机结合,构成了一种新型多功能温度检测系统。该系统具有性能可靠、测温准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具线路简捷、使用灵活、抗干扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到广泛应用。

9、1.2课程设计的内容本设计将在以下几个方面对温度测量系统进行研究和论证。（1）温度测量元件的选择。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，因此采用热电偶来作为检测系统的一次仪表。 图2-1是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k时，输出电压随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0=273.2mV。或在室温下(25)条件下调整电位器,使V0=273.

10、2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0或25附近有较高精度。 AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出数字量送给单片机进 行温度控制。图2-1 AD590电路图：1.3课题设计的目的和意义本系统能够很稳定的控制温度而且稳定性很高。只要配上适当的温度传感器，这个系统便还可以实现很多领域的温度自动控制。这对于提高系统的利用率，避免重复设计有很大的帮助的。在本系统的作用下，可以为工作系统提供一个良好的环境，使产品的数量和质量有很大的提高。使得产品的生产成本降低，从而使系统的使用者获得的利润提高了。 第2章热电偶测温的基本原理2.1方案的提出 温度检测有许多方法，但

11、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，目前在大量的热工仪表中，热电偶作为温度传感器，已经得到了广泛的使用。2.2热电偶测温的基本原理 热电偶是热电温度计的敏感元件。它的测温基本原理是基于金属导体的热电效应。热电效应产生的电势是由三种不同的效应引起的，即赛贝克效应、拍尔帖( Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应。(1)赛贝克效应 1821年由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TT

12、o，在回路中就会产生热电动势，此种现象称为热电效应。该热电动势就是著名的“赛贝克温差电动势”，简称“热电动势”，计为E,。导体A. B称为热电极。接点1通常是焊接在一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，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。 图2-1赛贝克效应示意图(TTo)(2)拍尔帖效应 各种导体中都存在着大量的自由电子，不同导体自由电子的密度也不同，当两种金属连接在一起时，在结点处就要发生电子扩散，电子密度大的金属的自由电子就要向电子密度小的导体扩散。这时电子密度大的金属由于失去电子而具有正电位;相反，电子密度小的金属由于获得了扩

13、散来的多余电子而带负电，这种扩散一直到动态平衡为止。(3)汤姆逊效应 对于单一均质导体，当两端温度不同时，两端也将有一定大小的电势。产生的原因是在不同的温度下，自由电子具有不同的动能，温度高时动能大，动能大的电子就会向温度较低的一端跑去，所以在同一导体内当两端温度不同时，两端也会产生一定的电位差(汤姆逊电势)。此现象称为汤姆逊效应(是可逆的)。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n 与

14、n As(To)，又因为TTa，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，即所以各接点的分热电势e等于相应的接触电势与温差电势的代数和: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TTo时，e,川与总热电动势的方向一致，而e,aa To)与总电动势方向相反。所以总热电动势可表示成如下形式: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: 对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，e仇)为常数C，则总电动势就变成测量端温度T的单值函数: 上式表明，当To恒定不变时，热电偶所产生的热电动势只随测量端温度的

15、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00C。所以，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数据采集部分的设计 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变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热电偶的种类 热电偶的分类方法有很多，一般是按热电偶的材料、用途和结构形式进行分类。1、根据热电偶材料分类: (1)廉金属热电偶:铜一康铜热电偶、铁一康铜热电偶、镍铬一镍铝热电偶、镍铬一镍铜热电偶; (2)贵金属热电偶:铂锗系列热电偶、铱锗系列热电偶、铂铱系

16、列热电偶、铱钉系列热电偶; (3）难溶金属热电偶:钨锌系列热电偶、钨铝系列热电偶、泥钦系列热电偶、钨系列热电偶; (4)非金属热电偶:石墨一炭化妮热电偶、二硅化钨一二硅化钥热电偶、硼化一炭化错热电偶、铱钉系列热电偶。2、根据热电偶的用途分类: (1)专用热电偶:多点式热电偶、表面热电偶、薄膜热电偶、快速微型热电偶、防暴热电偶; (2)普通工业用热电偶:直形热电偶、角形热电偶、锥形热电偶。3、根据热电偶的结构形式分类: 专用热电偶:普通型热电偶、恺装热电偶、密封式热电偶、高压固定螺纹式热电偶。 2.4.2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

17、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温度测量，特别是高温溶液，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种传感器，分别是:钨徕3一钨徕25热电偶，铂锗30一铂锗6 (双铂铭)热电偶，铂锗13一铂热电偶以及红外温度传感器。各种热电偶的使用温度限制如表2-1，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。 表2-1热电偶使用温度范围（1）钨徕3一钨徕25热电偶 钨徕3一钨徕25热

18、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 0C )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。钨徕3一钨徕25热电偶的电极丝直径通常为0.2mm，精度为士1，也可达士0.5%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。钨锌3一钨徕25热电偶温度上限很高，最高使用温度达到2800 0C，而且稳定性好。钨徕热电偶极易氧化，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

19、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，钨锌热电偶长期使用的测量温度上限是2000 0C，短期使用时测量上限可达2800 0C，但在高于2300时，数据分散。因此使用最好在2000以下。因此根据热电偶的特性以及实际使用和安装情况，适当选用该种热电偶进行钢水温度检测。在2000时对应的输出电压是35.707mV o（2）铂锗30一铂锗6热电偶 该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%铂锗合金(BN)。两级均为铂锗合金，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2V。 50时为3V，故

20、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 0C，短期使用温度为18000C。铂锗6合金的熔点为1820 0C，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13.814mV 。（3）铂锗13一铂热电偶 该热电偶正极为铂锗合金(RP)，负极为纯铂(RN)。同S型热电偶相比，它的热电动势率较大，其他性能几乎全相同，即准确等级很高，通常用作标准或作为高温的热电偶，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 0C，最高使用温度为1600 0C，对应的输出电压

21、为18.842mV o（4）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。2.4.3补偿导线的原理1、由热电偶测温原理可知，图2.2(a)所示的回路的总电动势为 图2-2补偿导线原理图式中T一使用补偿导线后的温度。而图2-2(b)回路的总热电动势为如果则 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、补偿导线的型号与分类 对标准热电偶来说，根据热电偶补偿

22、导线标准(GB 4989-4990-85 )，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(2.1)的条件，又能使式(2.2)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成分不同，它只能在一定温度范围内与热电偶的热电性能一致。 非标准热电偶一乌徕系列热电偶补偿导线，目前列于我国专业标准(ZB N 05002-88)中，其型号分为

23、G型和H型。3、补偿导线的使用原则 补偿导线的选用应遵循以下原则： (1)各补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用。 (2)补偿导线与热电偶的温度不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 0C(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，连接点处两接点温度必须相同，否则会引入误差。 (4)使用补偿导线时，切勿将极性接反。4、使用补偿导线后的修正 现举例说明使用补偿导线后，实际的温度计算。假设采用K型热电偶测温时，电炉的实际温度t1=1000 0C，仪表的环境温度t3=200C，热电偶参考端温度t2=500

24、C ,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型分度表查得E1=41.269mV, E2=2.022mV, E=0.798mV。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:当采用铜线连接时，根据中间金属定则，实际测出得热电动势为:由该例可以看出使用补偿导线可以大大提高测量准确性。2.4.4热电偶的冷端补偿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，热电动势就变成测量端温度的单值函数。我们经常使用的

25、分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端温度为0为先决条件的。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，参考端温度的变化直接影响测量的准确度。但在实际测温时，因热电偶的长度受到被测介质与环境温度的影响，不仅其参考端温度难以保持o0c，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、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，但不能消除参考端温度不为零

26、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，其温度为室温，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。 图2-3冷端温度测量放大电路AD590是绝对温度/电流变换器。其主要技术指标为: 测量范围:-55-+150 0C ; 电流输出(标定系数):l F/K; 电源电压:430V; 线性度:在满量程范围内小于士0. 500C; 重复性:10. 10C; 输出阻抗:约为l0M; 珊长期漂移:士0. 1 0C/月; 这种器件以电流作为输出量，其典型的电流温度灵敏度是1 u A!K。它是两端器件，使用非常方便。作为一种高阻电流源，不需要考虑传

27、输线上电压信号损失和噪声的干扰问题，因此特别适合做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，具有很高的精度。 当AD590两端加4-30V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 0C)时输出的电流为298.2 。A是一个线性温度恒流源。冷端温度测量放大电路如图2-3所图中，在AD590后采用一般运放构成增益为1的缓冲器(跟随器)，以提高输出带负载能力，其输出经放大27倍后得到0-l0V之

28、间的数值，然后再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加上查表所得温度即为热电偶测得的实际温度值。2.4.5绝缘物与保护管的选择 在用热电偶测温时，除测量端以外的各个部分之间均要求有良好的绝缘，否则热电偶会因热电极短路而引入误差，甚至无法测量。绝缘物的作用是使两根热电极丝相互电绝缘，并保持一定的机械强度。热电偶的绝缘材料很多，大体分为有机和无机绝缘材料两类。处于高温端的绝缘物必须采用无机物。绝缘管的规格有单孔、双孔和四孔等，在此我们选用单孔，用于单支热电偶。为了使热电极不直接与被测介质接触，通常采用保护管。它不仅可以延长热电偶的使用寿命，还可以起到支撑和固定热电极、增加其强度的

29、作用。因此热电偶保护管选择是否合适，将直接影响热电偶的使用寿命和测量的准确度。作为热电偶保护管材料，主要有金属、非金属和金属陶瓷三类。在进行非钢水温度测量的情况下，测量环境相对较好，可以根据温度选用相应材料的、能满足要求的保护管以降低成本。常用保护管材料及使用条件如表2-2所示。 在本设计中，进行钢水温度测量时采用金属陶瓷热电偶保护管和铝碳质防护管、热电偶共同组合成分体组合式测温探头。其结构示意图如图2-4所示。其中金属陶瓷保护管是钢水连续测温的关键部件，它插入钢水长期连续工作。工作环境恶劣，因此要求它耐高温、抗钢渣熔融、耐冲刷、抗震性好、测温灵敏度高。该金属陶瓷保护管采用MC93G型的金属陶

30、瓷材料，壁厚3.Smm，具有下述良好的使用性能: 表2-2保护管材料分类及使用条件(1)耐高温、寿命长。能在1500一1650 0C钢水中长期工作，埋入式使用条件下最高寿命达55h，一般为30-v40h，在从钢水上面插入条件下使用，其寿命为l0h以上，使用最高温度达1800 C o(2)测温灵敏度高。该金属陶瓷管采用适当比例的导热性能良好的金属材料，并掺加适量的CI23和少量的其他添加物均匀混合，在等静压机的高压作用下成型，在1900的高温下烧制而成。因此所制成的保护管不仅导热性良好，而且强度高、密度大、耐磨、耐高温等。管壁很薄，有良好的导热效果。(3)抗震性能好。反复从1500 0C 170

31、0的高温钢水中取出和插入10次以上不炸裂，特别是由环境温度直接插入高温钢水里也不发生裂断。1-铝碳质防护管2-测温热电偶3一金属陶瓷保护管 图2-4测温探头结构示意图 第三章 温度测量仪设计方案3.1 系统总体原理框图 图3-1 整个仪器除感温元件热电偶外，主要还由两级放大电路、数据转换电路(A/D和D/A转换)、单片机、键盘显示电路、时钟电路、通讯电路等组成。感温元件热电偶检测温度后，将温度信号转变成电压信号，由于热电偶的输出电压非常小，因此必须经过放大后才能进行A/D转换。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 系统中元器件的选择 3.2.1 开

32、关的选用控制和地址输入信号可用TTI或CMOS电平。其主要参数有: 电阻R典型值为400; 输入电容Ci=7PF; 导通电阻差R=10 ; 平均延迟时间320ns 。AD1674与8013电路图如图3-2： 图3-23.2.2 I/O口的设计 图3-3 8013存储器扩展电路图3.3 键盘、显示器的设计在该设计中采用8279可编程键盘、显示器接口芯片进行键盘、显示器设计。3.3.1键盘键盘的面板图见图3-4。各功能键功能如下: 图3-4键盘面板图 本仪器通过波段开关对传感器类型进行选择。 时钟日历键:按下此键，当前时间的年份首先显示出来，如果继续按下回车键接着显示月，按下回车，显示日，重复操作

33、依次显示小时、分钟。如果时间不准，可以调整时间:当显示想调整的时间时，按一下“八”键，则时间在调整时间前基础上加一，按一下“V键，则时间减一。 查询1键:通过输入时间显示温度。按下此键后会在屏幕最左边分别显示“A“B”，右边则是所测得的时间内的起始、终了时间，然后显示“1，要求用户输入年份，输入完后，随即显示“2，要求用户输入月份，显示“3，需输入日期，显示“4，需输入小时，显示“5，需输入分钟，输入期间如果有错误可以按一下清除键将所输入内容删掉并进行重新输入 查询2键:通过输入时间显示分别显示一段时间的温度。和查询1键开始一样，显示起始、终了时间。不同的只是需要用户输入要查询的起始、终了时间

34、。 数字键:0 9用于日期输入时所要选择的数字。 回车键:在输入了年月日后，按回车键进行确认，如果不按回车键，系统继续等待输入。此外，在按下打印键后，也需要按确认键进行确认。 通信键:按下次键可以和上位PC进行通信。 运行键:按下此键后，就开始检测。 复位键:在键盘控制方式下，运行一次，需复位一次。在微机控制方式下，不需要复位。第一次是上电复位，如果在不关机的情况下仪器再进行第二次、第三次，则需要按复位键。复位键按下之后，系统初始化，LED显示八个“808键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘就是各个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的工作状态不会影响其它输入线上的工作状态

35、，通过检测输入线的电平状态可以判断哪一个键被按下。但每个按键需占有一根输入线，在按键较多时，输入口浪费较大。在本设计中，键的数量较多，因此在此选用矩阵式键盘，可以减少所占I/O口的数量。3.3.2显示器 单片机系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED(LightEmitting Diode);液晶显示器，简称LCD(Liquid Crystal Display);荧光管显示器CRT。本设计中显示采用的是LED显示器，其价格便宜、配置灵活、体积小、功耗低、与单片机接口方便。在此仪器的设计中，使用8片LED7段显示块对时间和温度进行显示。由于显示所需电流比8279输出的电流大，所以在显

36、示块前端用7407驱动器对8279的输出电流进行放大，驱动器7407对8片LED实现段选的功能。芯片8279通过译码器741s138、反向器7404和驱动器MC1413对LED实现位选的功能。3.3.3 LED的工作原理 图3-6七段式LED显示部件(a)典型的七段式LED器件; (b)共阳极LED; (c)共阴极LED3.3.4 8279键盘显示接口芯片 图3-7 8279键盘显示电路第4章误差分析 为了提高仪器的测量准确度，必须分析仪器本身的误差来源，以便进一步改善仪器的性能。通过对仪器本身的分析，可知该仪器的主要误差来自于热电偶和单片机系统，下面进行具体分析。4.1热电偶带来的测量误差

37、应用热电偶测量某处温度时，一般来说需经过一段时间后，才能测得被测处的真实温度。但实际上并非如此，各种因素影响了热电偶测温的准确性。热电偶主要从三方面引起误差:热电偶安装引起的测量误差;热电偶固有特性引起的误差;检定过程中引起的误差。4.1.1热电偶安装引起的测量误差 热电偶是在绝缘物质与保护管的保护下进行测温的，当热电偶插入深度不够时，将受到与保护管接触的侧壁或周围环境的影响而引起误差。为消除此项误差，热电偶要有足够的插入深度，金属保护管插入深度应为直径的15-20倍，非金属保护管应为直径的10-15倍。此外，在热电偶附近放置与其有一定温差的很大的物体时，热电偶将接收辐射能而引起误差。4.1.

38、2热电偶固有特性引起的误差 (1)热交换误差 这是由于被测对象和热电偶之间热交换不完善而引起的误差，由于这个误差的存在使得热电偶热端温度达不到被测温度，产生这个误差的原因是由于热辐射损失和导热损失。由于被测空间或被测物体与外界往往存在有温度差，从而存在热交换。当被测物体温度高于外界温度时，由于辐射热所产生的影响，热电偶测出的温度较之实际温度偏低。为减少此项误差，可采取如下措施: (a)尽量使管壁表面和被测介质温度相接近，即尽量减少它们之间的温度差，可给管壁表面包一层绝热层(如石棉等)。可在热电偶和管壁之间加装防辐射罩，以消除热电偶和管壁间的直接辐射作用。防辐射罩最好用耐高温和反光性强的物质做成

39、;减少热电偶保护套管和热电极(无保护套管时)的黑度(辐射)系数。 (b)尽可能减少热电偶保护套管外径。 (c)增加被测介质的流速，以增加热电偶和被测介质间的对流传热。 热电偶测温时的导热损失由热电偶本身的传导作用引起，在测温时热电偶本身受热程度不同，一部分热量从温度较高的热端经由保护套管、热电极等传到温度较低的冷端。这样热电偶测得的温度较之实际温度偏低，为减少此导热误差，可采取如下措施: (a)增加热电偶得插入深度。 (b)尽可能采用热传导系数小的材料作保护套管。当希望时间常数小，以减少动态误差时，则应采用热传导系数大的材料。 (2)热电特性不同引起的误差 此误差是指补偿导线与热电偶材料在01

40、00范围内因热电特性不同而产生的误差。影响热电偶及补偿导线热电特性的原因有两大类，即化学成分和物理成分。 (a)化学原因:热电极及补偿导线在使用中被氧化、腐蚀和沾污等。 (b)物理原因:热电极及补偿导线在高温下晶粒长大、变形和引起机械应力等。 (3)冷端温度引起的误差 工业上用电子电位差计或动圈仪表来测温时，都用冷端补偿电桥来补偿冷端温度的变化。但只能在某两个温度点(如20和50 0C)完全补偿，从而在其它点引起了误差。 (4)动态误差 被测对象温度变化后，测温仪器来不及立即指出变化了的温度，因而引起读数误差。对于快速变化的温度，由于测温元件的热惰性，动态误差可能很大，这时必须采用小惯性热电偶

41、。热电偶时间常数的大小是决定误差大小的主要因素，并与之成正比。同时，它对温度的自动调节和控制以及温度的快速测定等起着相当重要的作用。 (5)绝缘不良引起的误差 在热电偶使用时，应注意两热电极之间以及它们和大地之间均应有良好的绝缘，否则将会有热电势损耗，直接影响测量结果的准确性，严重时会影响仪表的正常运行。 (6)寄生电动势引起的误差 从热电偶参考端到测量回路中，只要有很小的温度梯度，则在不同金属接触处将产生寄生热电动势，如果有水，可能还将产生化学寄生热电动势。为了消除化学寄生热电动势，应避免粘着水分。为了保证导线的物理化学性能相同，应从同一卷导线上截取，最好在冰点装置中将两根线短路，测量其寄生

42、电动势，找出不产生寄生热电动势的导线。而且，整套测量装置要尽可能避免放在日光直接照射或者辐射以及容易引起温度梯度的场所，并采取必要的遮蔽和保温措施，可使寄生热电动势降至1V以下。在应用热电偶测温时，首先必须正确地选型，合理地安装与使用，同时还必须避免污染，并尽可能地设法消除各种外界影响，以减少附加误差，达到测温准确、简便和耐用等目的。4.1.3检定过程中引起的误差 在检定过程中可能引起的误差有: (1)标准热电偶的传递误差。在对热电偶分度时，存在标准热电偶自身的误差所引起的误差。 (2)测量仪器的基本误差。由电位差计、毫伏计的精度等级决定。 (3)视差。仪表的刻度很窄，有的一小格相当于20 0

43、C，读数时对指针判断不准确会引起误差，即所谓视差。4.2单片机系统带来的误差 在单片机系统中主要是A/D转换器存在转换误差，即对于一个给定的数字量，实际的模拟输入与理论模拟输入之差。它是A/D转换器的量化误差、偏置误差、增益误差、非线性误差的综合结果。设数字量D理论上准确对应于模拟量输入V由A/D转换的原理(四舍五入)可知，当模拟量输入为V -1LSB/2和V +1LSB/2时，数字量仍为D，通常认为这时误差为零。只有模拟量输入超出此范围，数字量仍为D，这时误差不为零。例如v 1 B，数字量仍为D，我们说误差为，1LSB / 2。在n位ADC中 其中:VFS是ADC的满量程输入电压。 在本设计

44、中选用的是12位的A/D转换器AD1674，为模拟量单极性输入，伞入量从“10K。”引脚输入，故踢= l0V ,所以在本设计中，A/D转换器的转换i差为当测量温度范围是0-2000时，引起的最大误差为致谢 本文是在导师张春光老师的悉心指导下完成的。从总体方案设计原理图、电路图到实际调试，张老师都亲临指导，提出意见并指正。通过这段时间的学习，张老师渊博的知识、严谨的治学态度、忘我的工作热情使我受益非浅，在此，特向我的导师表示衷心的感谢与敬意。在设计过程中，还得到了其他许多位老师的指点和无私的帮助，对他们的关心和热心帮助，在此谨表深深的谢意。在此项目的设计和论文的撰写过程中，还得到我们同一实验室的

45、同窗们的关心和帮助，在此一并向他们表示诚挚的谢意。 参考文献1 R.Kinose. Iron and Steel Enginee J, January (1997): 32-342 乐嘉华.温度检测技术的现状和未来J，煤油化工自动化，1998, (3: 36-383 张立儒.特殊条件下的温度测量M，北京:中国计量出版社，19964 王魁汉.温度测量技术M，沈阳:东北工学院出版社，19915 304所主编.热电偶M，北京:国防工业出版社，1990适用6 电子电路手册M.北京:高等教育出版社，19977 Bentley, John P. Priniple of Measurement System

46、s, Longman, London and New York, 19838 佐佐木正治.使用温度测定M，东京:安信印刷工业株式会社，19829 Q.Fan, T.Q.Gu and H.Gao: Key Engineering Materials J, Vols.202-203 (2001),249-25210 胡汉才 . 单片机原理及系统设计M.请华大学出版社.199711 吴金戌 .8051单片机实践与应用M.清华大学出版社.200112 刘国荣 .单片微型计算机技术J. 机械工业出版社.200013 张迎新 .单片微型计算机原理、应用及接口技术M.国防工业版.200214 房小翠 .单片机应用系统设计技术M.国防工业出版社.200415 何立民 .单片机应用系统设计M.北航出版社.1999