热电偶传感器测温系统论文

1、汉口学院电子信息工程学院 课程论文 热电偶传感器测温系统课程名称传感器原理与应用姓 名梅礼晔系 别电子信息工程学院专 业电气工程及其自动化班 级2012级电气四班学 号2012910158指导教师戴焯论文评分 2014年11月25日 摘要 热电偶是将温度变化量转换为热电势大小的热电传感器，是一种广泛应用的间接测量温度的方法，即利用一些材料或元件的性能参数随温度而变化通过测量该性能参数，而得到被测温度的大小。本文中主要介绍利用热电偶传感器测温的原理及系统设计。在论述测温的同时，针对不足,提出了一种基于数值计算软件化测温方法，并给出了实现这种测温的4个步骤，给出了相关电路、拟合关系式和计算方法。为

2、了是测温精度更高，在此分析了误差优化方法，探讨了误差时间常数分析、非线性补偿法及冷端温度补偿技术。关键字：热电偶、软件化、时间常数、非线性补偿、冷端温度补偿1.温度的基本概念(参考文献【1】)温度是度量物体冷、热程度的物理量,在生产和科学中占有极其重要的地位,是国际单位制(SI)中7个基本物理量之一。从能量角度来看,温度是描述系统不同自由度间能量发布状态的物理量;从微观上看,温度标志着系统内部分子无规则运动的剧烈程度,温度高的物体,分子平均动能大,温度低的物体,分子平均动能小;从热平衡观点来看,温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。而用来度量物体温度数值的标尺叫温标,它规定了温度的读数起点(零

3、点)和测量温度的基本单位。目前用的较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。温度测量方式有接触式和非接触式两大类。接触式测温法是将传感器置于与物体相同的热平衡状态中,使传感器与物体保持同一温度的测温方法。非接触式仪表测温的范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反映速度快;但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响,其测量误差较大。2.热电偶测温基本原理(参考文献【2】)热电偶的测温原理基于热电效应,如图1所示。将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路,当两个接点电T和T0的温度不同时,如果T>T0在回路中就会产生热电动势,并在回路中有一

4、定大小的电流,此种现象称为热电效应,记为EAB,导体A,B称为热电极。接点T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(或工作端、热端)。接点T要求温度恒定,称为参考端(或冷端)。热电动势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成,热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。图1热电偶回路2.1接触热电动势当两种电子密度不同的导体A与B接触时,接触面上就会发生电子扩散,电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB,且NA>NB,电子扩散的结果使导体A失去电子

5、而带正电,导体B则获得电子而带负电,在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子的扩散,达到动平衡时,在接触区形成一个稳定的电位差,即接触电势,其大小为： (1)式中k玻耳兹曼常数,k=1.38×10-23J/K;e电子电荷量,e=1.6×10-19C;T接触处的温度,K;NA,NB分别为导体A和B的自由电子密度。2.2温差电动势因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。由于温度梯度的存在,改变了电子的能量分布,高温端(T)电子将向低温端(T0)扩散,致使高温端因失去电子带正电,低温端因获电子而带负电。因而在同一导体两端也产生电位差,并阻止电子从高温端向低温端扩散,于是电子扩散

6、形成动平衡,此时所建立的电位差称为温差电势,它与温度的关系为: (2) 式中为汤姆逊系数,表示温差1所产生的电动势值,其大小与材料性质及两端的温度有关。2.3热电偶回路总电动势导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB(T)与eAB(T0),又因为T>T0,在导体A和B中还各有一个温差电势。所以闭合回路总热电动势EAB(T,T0)应为接触电动势和温差电势的代数和,即: (3)对于已选定的热电偶,当参考温度恒定时,总热电动势就变成测量端温度T的单值函数,即:2.4有关热电偶测温的基本定律2.4.1均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路,不论导体的横截面积、长度以及温度

7、分布如何均不产生热电动势。如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成,那么,热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关,与热电偶的温度分布无关。2.4.2中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要其两端的温度相等,该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。根据这一定则,若把连接导线和显示仪器看成第三种导体,只要他们的两端温度相同,则不影响总热电动势。2.4.3中间温度定律热电偶两结点的温度分别为T、T0时所产生的热电动势等于该热电偶T,以及、时的热电动势的代数和,即有下式: (4)中间温度定律是制定热电偶分度表的理论基础。在一般工程测量中,自由端常常不是零度而是室温或其它温度,通过上式及

8、热电偶分度表计算工作端的温度。2.4.4参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C(或称标准电极)组成热电偶,如果他们所产生的热电动势为已知,A和B两极配对后的热电动势可用下式求得: (5)可见,只要知道两种导体分别与参考电极组成热电偶时的热电动势,就可以依据参考电极定律计算出两导体组成热电偶时的热电动势,从而简化了热电偶的选配工作。2.5热电偶的选择热电偶结构类型很多，其特性及应用环境不同，在选择热电偶测温时，应从温度变化、测量精度要求，安装及维护方便、价格高低等几个方面综合考虑，常用热电偶的特性及应用环境如表2所示。为了适应需要。目前已研制出多种特殊性能热电偶，举例如下：1. 钨铜系热电偶

9、钨铜系材料是目前较好的超高温材料，测温范围可达0°C-3000°C。例如钨铼5-钨铼20热电偶，一般测温范围为300°C-2400°C时，精度可达到1%，且热电势大，适用于高温测量；但尚未合适延长导线，测温时应采用0度恒温法或软件法实现冷端补偿。 表2常用热电偶工作特性及适应温度名称（代号）分度号适应温度/°C工作特性铂铑10-铂（WRLB）LB-3，S0-1600热电偶特性稳定，抗氧化，测量精度高，范围大，宜制成标准热电偶铂铑30-铂铑（WRLL）LL-2，B0-1800比铂铑10-具有更稳定的热电特性和精度、更大的测温范围，热电势更小，可作

10、为标准热电偶；冷端温度在50°C以下可不考虑冷端误差镍铬-镍硅（铝）（WREU）EU-2，K-1350热电势打，热电热心接近于线性，有较强的抗氧化性和抗腐蚀性。复制性好，价格便宜，工业应用广泛；测量精度和稳定性稍差镍铬-康铜（WRRA）E-1100热电势大，热电特性线性，价格便宜，适于在还原性和中性气体中使用；测量范围小铜-康铜CK-670热电势大，价格低；高温下铜极易氧化2. 镍铬金铁热电偶这类热电偶低温性能极好，在绝对温度1-300范围，热电势大且稳定，适用于超低温测量。3. 薄膜热电偶这是由两种不同的金属材料蒸镀到绝缘薄片上而形成的薄片式热电偶，薄膜厚度一般为0.01-0.1m

11、m,平面尺寸也很小，因而测温灵敏度高，反应快（毫秒级），适用于温度变化快的场合。4. 非金属电热级电偶这类热电偶是用石墨和难以熔化的化合物做成热电级，用于测量2000°C以上的高温，其工作稳定性好，热电势大，价格不高，具有取代贵重金属高温热电偶的开发价值。但这种热电偶复制性差，机械强度小、脆性大，使用场合受到很大限制。3.热电偶测温系统设计(参考文献【3】) 在这里对工业循环冷水系统设计，需要对管路内的水质进行温度测量要求测量速度小于1s,精度1°C，采用单片机系统控制测量。 在常规液体测温应用中，需要对传感器进行铠装保护，即将传感器封装到导热陶瓷或金属套管中，但铠装会增加

12、敏感元件热容量，极大的降低传感器对温度的响应时间。普通凯装热电偶或热电阻的温度响应时间约为10s以上，特殊铠装的约为5s以上，这显然不满足此系统设计要求。因而，在此采用热电偶导线自作传感器的封装。与热电阻相比。热电偶导线与工作的焊点小，焊点直径约为1mm，因此敏感元件质量非常小，最终测温的响应时间较小。通过标准仪器校验，对传感器输入一个50°C的阶跃型号，其响应时间在1s以下，且信号的传送利用热电偶丝完成，因此容易封装。3.1放大电路 测温采用的是K型热电偶，由于对水进行测温。其测量范围为0°C-100°C,对应的输出热电动势在5mv以下，输入微弱信号，热电偶的工

13、作端通过热电偶导线的保护套管接入水路，参考端直接连入测量电路。其工作端和参考端距离较远，容易引入共模干扰，因此采用仪表放大电路来设计测量电路。 AD620是美国AD公司推出的单片机仪表放大器，采用标准8脚双列直插式封装和8脚贴片式封装，放大倍数有外接的精密电阻决定。 AD620的管脚功能和基本接法如图3所示，2脚和3脚是高阻输入端，6脚是输出端，7脚接正负电源，5脚接参考地，电压放大倍数由1脚和8脚间外接的精密电阻决定： AD620是单片精密仪表放大器，非线性失真小，共模共模抑制比高，低漂移和低噪声，非常在适合恶劣条件下对采集的微弱信号进行放大。采用AD620仪表放大器对热电偶输出信号进行 放

14、大的电路如图4所示，热电偶导线连接到AD620的两个输入端，其中3脚直接接地，为放大器的输入偏置电流提供直流返回通路;同时，单端接线方式使得热电偶导线上的共模信号在放大器输入端抵消，放大电路采用双极性5V电源供电，电阻RG取51 ，得到放大倍数为970倍。3.2测量方法 图5是温度测量系统的整体原理框图，由热电偶传感器将温度信号转换为电动势信号，再将AD260组成放大电路，多路开关送至A/D转换器，最终将转换结果送到MCU。在放大电路输入端，配置一个集成温度传感器LM135，检测冷端环境温度，其输出信号经多路开关、A/D转换器至MCU，其测量结果作为参考温度对热电偶的测量结果进行冷端补偿。最终

15、的补偿结果由MCU通过RS232接口送至监控计算机。图5 温度测量系统整体原理框图图中LM135是PN结反向运用状态的感温器件，可作为二端工作的齐纳二级管，其击穿电压正比于绝对温度，测温范围为（-55-150）°C，灵敏约为10mV/K,在25°C时输出电压为2.98V。由于冷端环境温度为常温，因此LM135输出电压无须放大，直接入A/D转换器。MCU根据LM135输出的冷端温度，结合K型热电偶的分度表，利用热电偶的中间温度定律进行冷端校正。参考端温度为0°C时，K型热电偶分度表如图5所示。图5 K型热电偶分度表温度 电势值 温度 电势值 温度 电势值 温度 电势

16、值 温度 电势值 温度 电势值 温度 电势值 () (mV) () (mV) () (mV) () (mV) () (mV) () (mV) () (mV)00582.3541164.7561747.12329.42329011.79534814.20910.039592.3951174.7971757.142339.46429111.83634914.25120.079602.4361184.8381767.182349.50429211.87735014.29330.119612.4781194.8791777.222359.54529311.91935114.33540.158622.5

17、191204.921787.262369.58529411.9635214.37750.198632.5611214.9611797.32379.62629512.00135314.41960.238642.6021225.0021807.342389.66629612.04335414.46170.277652.6441235.0431817.382399.70729712.08435514.50380.317662.6851245.0841827.422409.74729812.12635614.54590.357672.7271255.1241837.462419.78829912.16

18、735714.587100.397682.7681265.1651847.52429.82830012.20935814.629110.437692.811275.2061857.542439.86930112.2535914.671120.477702.8511285.2471867.5792449.90930212.29136014.713130.517712.8931295.2881877.6192459.9530312.33336114.755140.557722.9341305.3281887.6592469.99130412.37436214.797150.597732.97613

19、15.3691897.69924710.03130512.41636314.839160.637743.0171325.411907.73924810.07230612.45736414.881170.677753.0591335.451917.77924910.11330712.49936514.923180.718763.11345.4911927.81925010.15330812.5436614.965190.758773.1421355.5321937.85925110.19430912.58236715.007200.798783.1841365.5721947.89925210.

20、23531012.62436815.049210.838793.2251375.6131957.93925310.27631112.66536915.091220.879803.2671385.6531967.97925410.31631212.70737015.133230.919813.3081395.6941978.01925510.35731312.74837115.175240.96823.351405.7351988.05925610.39831412.7937215.217251833.3911415.7751998.09925710.43931512.83137315.2592

21、61.041843.4331425.8152008.13825810.4831612.87337415.301271.081853.4741435.8562018.17825910.5231712.91537515.343281.122863.5161445.8962028.21826010.56131812.95637615.385291.163873.5571455.9372038.25826110.60231912.99837715.427301.203883.5991465.9772048.29826210.64332013.0437815.469311.244893.641476.0

22、172058.33826310.68432113.08137915.511321.285903.6821486.0582068.37826410.72532213.12338015.554331.326913.7231496.0982078.41826510.76632313.16538115.596341.366923.7651506.1382088.45826610.80732413.20638215.638351.407933.8061516.1792098.49926710.84832513.24838315.68361.448943.8481526.2192108.53926810.

23、88932613.2938415.722371.489953.8891536.2592118.57926910.9332713.33138515.764381.53963.9311546.2992128.61927010.97132813.37338615.806391.571973.9721556.3392138.65927111.01232913.41538715.849401.612984.0131566.382148.69927211.05333013.45738815.891411.653994.0551576.422158.73927311.09433113.49838915.93

24、3421.6941004.0961586.462168.77927411.13533213.5439015.975431.7351014.1381596.52178.81927511.17633313.58239116.017441.7761024.1791606.542188.8627611.21733413.62439216.059451.8171034.221616.582198.927711.25933513.66539316.102461.8581044.2621626.622208.9427811.333613.70739416.144471.8991054.3031636.662

25、218.9827911.34133713.74939516.186481.9411064.3441646.7012229.0228011.38233813.79139616.228491.9821074.3851656.7412239.06128111.42333913.83339716.27502.0231084.4271666.7812249.10128211.46534013.87439816.313512.0641094.4681676.8212259.14128311.50634113.91639916.355522.1061104.5091686.8612269.18128411.

26、54734213.95840016.397532.1471114.551696.9012279.22228511.5883431440116.439542.1881124.5911706.9412289.26228611.6334414.04240216.482552.231134.6331716.9812299.30228711.67134514.08440316.524562.2711144.6741727.0212309.34328811.71234614.12640416.566572.3121154.7151737.062319.38328911.75334714.16740516.

27、608当LM135输出的冷端温度为23°C势，而热电偶输出的热电动势的测量值为1.200mv,根据中间温度定律：,首先查表得=0.919mv,而为1.200mv，则计算出为2.119mv,在查表得实际温度为52.5°C。4.热电偶软件优化方法（参考文献【4】5）4.1软件化测温原理如前所述，由于让冷端保持为0的恒温比较困难，也使测量装置变得复杂，因此直接测量是比较麻烦的，且也没有这个必要。根据公式(4)可得 (6)如果已知和，则依据公式(6)就可计算得到，、通过反求分度表即可得到待测的温度t。由于这种方法不需要冷端恒温或温度补偿装置，可以大大简化硬件电路，但需要通过数值计算

28、的方法来实现温度测量，故称为软件化测温。 事实证明，直接测量和，不仅是可能的，而且也十分方便，可以获得很高的精度。其中是热电偶的冷端(温度为to)不作任何处理时直接测量获得的热电势; 为热电偶工作端为、冷端为0时的热电势，这可以通过先测量t。再查分度表来获得。4.2软件测温的步骤4.2.1的测量 由于热电势信号比较微弱(mV级)，检测时一般需要进行放大处理。在图1所示电路中，经过PGA电路(可编程增益放大器)放大后，得到，其幅值范围是0-5. OV，这样便于后续的A/D转换和微处理器数据采集工作。其测量电路图如下。在这里采用了精密的增益可编程仪表放大器LTC6915,可以获得0,1,2,4,8

29、,16,32,64,128,256,512,1 024,2 048或4 096等14级增益，可以满足同类型的热电偶测温需要。比如1 000时S型热电偶输出热电势约9.5 mV，而E型的热电势可达75 mV以上，因此前者的增益可设为512，后者的增益可设为64。LTC6915的增益可由软件通过D3-DO来设置，且误差小于0.1%，能够保证热电势的检测精度。 根据A/D转换的结果ADvalue值(数字量)，可以计算得到的大小 （7）式中:Gain测量电路的增益值NA/D转换的位数,A/D转换的参考电压值为5.0V 4.2.2端温度的测量及的计算 一般情况下，热电偶的冷端处于自然环境中，其温度范围为

30、0-50C，因此可采用基于恒流源的高精度集成温度传感器AD590来检测。其测量电路图如下。根据AD590的特性及以上测量电路，有 (8式中:输出电压，由A/D转换电路检测 AD590的电流温度系数，为冷端所处的环境温度()。 由于与具有简单而良好的线性关系，因此通过对测量就可以得到值。利用热电偶分度表，很容易求取与温度t。对应的值，可以采用查表法或公式计算法。前者需要存储大量的数据表格，而且查表时也要进行分段的内插运算，过程比较繁琐;后者则可以利用拟合得到的分度表E-t关系式直接计算得到，较为简便。但需要注意的是，因关系具有非线性，拟合时必须保证足够的精度。 拟合得到的S型热电偶在0一50区间

31、的E-t关系式为 (9)4.2.3 的计算 在以上步骤基础上结合公式（6）即可求出。4.2.4 由反求t 热电偶分度表给出的是关系，且温度为输人量，热电势E作为输出量，所以在此不能直接使用关系式进行计算，必须求出其反函数。由于热电偶的关系式是非线性的，是多项式函数，直接用数学变换的方法难以求取其反函数，因此可采用一元函数的最小二乘法，对分度表给定的数据进行多项式拟合，从而求出的关系式。 利用matlab程序对图5中K型热电偶分度进行多项式拟合，为了结果精确温度，这里我们采用分段拟合，结果见表6.多项拟合公式如下 段号热电势范围 mV温度范围°C线性表达式10-122070-300T=

32、24.6189931E-0.191296062212207-29128300-700T=23.5660E+13.463135329128-38122700-920T=24.3979E-11.073529438122-46238920-1130T=25.8932E-57.846758546238-523981130-1300T=27.6751E-150.1536 表6 K型热电偶分度拟合表表 该测温方法可以用于不同类型的热电偶。在特定的测温区间内因各型热电偶的热电势大小不同，为防止信号超量程，需要设定不同的电路增益，并注意调用不同的拟合公式。这些拟合公式可以预先做好并存人程序代码中。 当然，由于

33、软件化测温方法需要完成一定量的浮点运算，因此适合于具有较强浮点运算功能的处理器系统。 5热电偶测温误差时间常数分析(参考文献【6】)5.1测温与误差由于热电偶的热接点具有一定的热容量,热接点从介质中吸收热量后,加热自身提高温度到稳定值需要一定的时间,在时间上总是要滞后于被测介质温度的变化,即测量的指示温度总是滞后于被测介质的实际温度,引起温度偏差,从而产生动态误差。由牛顿冷却定律可知,热接点的热平衡方程为: 式中,为热电偶的动态指标,即时间常数; 为热接点温度;t为时间;T为介质真实温度。对于不同的结构、不同的热交换条件、不同的被测介质状态,其时间常数也不相同,它是热电偶测量温度产生误差的主要

34、因素之一。5.2测温误差的时间常数分析热交换有三种基本方式:对流方式,辐射方式和传导方式。不同传热方式,具有不同的热平衡关系,导致不同的过渡过程。在对流传热方式下,测量气体介质温度,当测量点处于热平衡时,由牛顿冷却定律可知,热接点的热平衡方程为:整理得:式中, 为时间常数,Tc为传感器指示温度,t为时间, 被测气体的瞬时真实温度。上式即为热电偶对被测介质温度变化的动态响应。它表明测量滞后量()与时间常数有关,与测热点温度变化速率有关,该测温系统为一阶系统。对于测量恒定温度,则有:式中, 为被测温度, 为动态误差。由此可见, 值越大,到达稳定值的时间就越长,动态误差就越大。对于测量线性变化的温度

35、,热接点的热平衡方程表达式为:式中, 为被测温度的初始值,B为被测温度的变化率。同理可以分析出, 值越大,动态误差就越大。对于测量以正弦函数变化的温度,当时,热电偶的温度与时间的关系式可近似表达为:式中, 为正弦函数的幅值, 为角频率。分析上式可知,由于滞后角,值越大,角就越大,幅值也就越小。经过上述分析,可以看出要快速准确地测量温度,必须有效地减小动态测量误差,即减小时间常数值。5.3综上可以知道：对于任何测量,误差都是不可避免的。通过分析热电偶测温误差的原因,我们就可以有的放矢地去减小测量误差。对于减小动态测量误差,就必须有效地控制时间常数值。因为时间常数式中,C为热接点的比热为热接点材料

36、的密度,V为热接点的体积, 为传热系数, 为热接点的表面积,所以,在进行高精度的温度检测时,热电偶的选择应选择比热C小、密度小和传热系数大的热电极,以便减小时间常数值。随着电子技术的不断发展,还可采用RC微分电路进行信号处理,校正热电偶的动态特性。总之,通过探讨时间常数对测温的影响,对指导工业生产提供了可靠的技术依据,具有一定的实用价值。6 热电偶冷端补偿技术(参考文献【6】)由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在应用时热电偶热端与冷端距离很近，冷端又暴露于空间中，容易受到环境温度及设备或管道中介质温度的影响，故冷端温度难以保持恒定，为此必须进行

37、补偿。6.1补偿导线法由于两种不同类型的金属结合在一起会产生电位差，所以热电偶与测量系统的连接也会产生电压。一般把连接点放在隔热块上以减小这一影响，使两个节点处于同一温度下，从而降低误差。有时候也会测量隔热块的温度，以补偿温度的影响。由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，准确测量温度，必须设法使自由端延伸到远离被测对象且温度又比较稳定的地方。如果把热电偶做得很长，则安装使用不方便，因热电极多为贵金属，所以成本高。人们从实践中发现某些便宜金属组成的热电偶在0100范围内其热电特性与已经标准化的热电偶的热电特性非常接近。因此

38、，可以用这些导线来代替原有热电极将热电偶的自由端延伸出来，这种方法称为补偿导线法。不同的热电偶要求配用不同的补偿导线。使用补偿导线时,补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极同名端对应相接。正、负两极的接点温度应保持相同，延伸后的自由端温度应当恒定，这样应用补偿导线才有意义。对常用的铂铑-铂热电偶，补偿导线铜-镍铜；镍铬镍硅热电偶，补偿导线铜-康铜；对镍铬-考铜、铜-康铜等廉价金属制成的热电偶，则可用本身材料做补偿导线将冷端延伸到温度恒定的地方。此外热电偶和补偿导线连接处温度不应超过100，同时所用补偿导线不应选错，否则会由于热电特性不同而带来新的误差。6.2热电偶的自由端温度补偿利用热电偶测温，其温度与热电势关系曲线是在自由端温度为0时分度的，我们利用补偿导线仅仅使自由端延伸到了温度较低或比较稳定的操作室，并没有保证自由端温度为0，因此，