多功能智能化温度测量仪的研究与开发

1、东北大学硕士学位论文多功能智能化温度测量仪的研究与开发姓名:谷艳丰申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:刘平2003.2.1东北大学硕士学位论文摘要多功能智能化温度测量仪的研究与开发摘要f温度是一个基本的物理量,它是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之二。随着工业的不断发展,对温度测量的要求越来越高,而且测量范围也越来越广,因此对温度检测技术的要求也越来越高y本文介绍的多功能智能化温度测量仪是以8031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。本仪器的数学模型合理,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

2、、实用、测量稳定可靠、测温范围大、使用对象广,并且实现了智能化。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I=1及其应用软件的设计,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。(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O'C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,该系统能够实现数据采集、数据处理、温度值的在线显示、测量数据的打印以及和上位机的通讯。(4设计了和硬件配套的软件,编写了适用于单片机的热电偶测温的

3、通用查表法。该方法占用内存较少、查表速度快,很好的解决了热电偶热电势与温度值之间非线性的问题。(5通过实验,对该仪器功能进行了初步验证,并且分析了该仪器的误差来源,同时对该温度仪表的未来发展进行了展望。关键词温度测量智能化热电偶单片机o?oL一.oResearch and Designe on Multifunctional IntellectualTemperature Measure InstrumentAbstractTemperature,as a basic physical quantity,is one of the most universal and important te

4、chnical parameters.Along with the development of industry,the requirement of measurement of temperature is higher.Further more,the scope of measurement of temperature is wider,SO,the technology of measurement must be improved.The Multifunctional Intellectual Temperature Measure Instrument introduced

5、 by the paper is the system of8031singlechip microcomputer and conventional measureing componentthermocouple.The mathematic model is appropriate,and measurement method iS easy to beexcuted.The electronic components used are anti-jamming,less zerodrift and less temperaturedrift.The instrument is conv

6、enient and applicabale,it is steady,reliable and SO fit to use.At the same time,it has larger scope of measurement and it carl be used in many kinds of object measured.It has intellectualized the process.The thesis introduces automatical measurement of temperature,including temperature sensor,I/O of

7、 single-chip microcomputer and application software,it Can be divided into five parts:(1It introduces the development of temperature measurement and specialtemperature measuringmeasurement ofmolten steelS temperature,as well as the development direction oftemperature measurement in the future.(2It p

8、rovides the solution oftemperature sensorS selecting、using and setting.Itsolves the problem of thermocouple whose referenced endS temperature is not 0in the course ofmeasurement(3According to the practical demands,I design corresponding hardware system.The system can realize data acquisition,showing

9、 of temperatureon-line,printoftemperature and communication withupper computer.(4The corresponding software isaccomplished.The general method by checking table oecpies less memory and runs fast.It Can solve the problem ofnon-linear between thermol-emfand temperature successfully.(5After the experime

10、nts,I analyze the error of the instrument,furthermore,Idiscuss the future ofthe instrument.Keywords temperature measurement,intelligentiztion,thermocouple,single-chip microcomputer声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包括本文为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确

11、的说明并表示谢意。本人签名:伦粉日期:舯j3刁第一章绪论1.1引言温度是一个重要的物理量,在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等中都是基本的检测参数之一。尤其是在当今的许多工业领域,例如冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工中都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行测量和控制。因此,温度的测量一直是一个重要的研究课题。在炼钢过程中,温度更是一个重要的参数。合理的温度范围和准确的温度测量对提高产品质量、产量、降低消耗、实现冶金自动化均有积极作用。测量钢水的检测环境极为恶劣,尤其是转炉,钢水温度达15001700。C,有时甚至超过1750,而且测量过程中钢水液

12、面激烈搅动,强烈冲刷传感器,因此,在类似于钢水温度测量的特种温度测量中,传感器和仪表一般都有其特殊要求。1.2国内外测温状况随着国内外工业的日益发展,温度检测技术也有了不断的进步,目前的温度检测使用的温度计种类繁多,应用范围也较广泛,大致包括以下几种方法【21。(1利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。利用此原理制成的温度计大致分成三大类:玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。(2利用热电效应技术制成的温度检测元件。利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早,比较成熟,至今仍为应用最广泛检测元件之一。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点,因此广泛作为温度

13、传感器的敏感元件。(3利用热阻效应技术制成的温度计。用此技术制成的温度计大致可分成以下几种:电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。,(4利用热辐射原理制成的高温计。热辐射高温计通常分为两种:一种是单色辐射高温计,一般称光学高温计;一种是全辐射高温计,它的原理是物体吸收热辐射后,视物体本身的性质,能将它吸收、透过或反射。1.3正在研究的检测技术近年来,在温度检测技术领域中,多种新的检测原理与技术的开发应用,已取得了具有实用性的重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化,主要包括以下几种。(1晶体管温度检测元件。半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件之。半导体的电阻温度系数比金属大

14、l2数量级,二级管和三极管的PN 电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。(2集成电路温度检测元件。利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系(即半导体PN结的温度特性进行温度检测,并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体,封装与小型管壳内,就构成了集成电路温度检测元件。目前,国内外已有大量成型产品。(3核磁共振温度检测器。所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时,当与静磁场垂直方向加以电磁波,会发生对某频率电磁波的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器,称为核磁共振温度检测器。这种检测器精度极高,可以测量出千分之一开尔文

15、,而且输出的频率信号适于数字化运算处理,因此是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下,可作理想的标准温度计使用。(4热噪声温度检测器。它的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性。其特点是:输出噪声电压大小与温度是比例关系;不受压力影响:感温元件的阻值几乎不影响测量准确度。所以它是一种可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。(5石英晶体温度检测器。它采用LC或Y型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制作的。它利用u P技术,自动补偿石英晶片的非线性,所以测量精度较高,一般可检测到O.001,可作标准检测之用。(6光纤温度检测器。光纤温度检测器是目前光纤传感器中

16、发展较快的一种,已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。它是利用双折射光纤的传输光信号滞后量随温度变化的原理制成的双折射光纤温度检测器,检测精度在±1以内,测温范围可以从绝对02000。(7激光温度检测器。激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量。用一2.东北大学硕士学位论文第一章绪论氦氖激光源的激光作反射计,可测得很高的温度,精度达1%;用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度,上限可达3000,专门用于核聚变研究,但在工业上应用还需进一步开发和实验。(8微波温度检测器。采用微波测温可以达到快速测量高温的目的。它是利用在不同温度下,温度与控制

17、电压成线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为250kHz/,精度为±l%左右,检测范围为201400。1.4国内外温度检测技术的动向与趋势随着工业生产效率的不断提高,自动化水平与范围也不断扩大,因而对温度检测技术的要求也愈来愈高,一般可以归纳以下几方面。(1扩展检测范围。现在工业上通用的温度检测范围为-2003000,而今后要求能测量超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切,如10K以下的温度检测是当前重点研究课题。(2扩大测温对象。温度检测技术将会由点测温发展到裂、面,甚至立体的测量。应用范围已经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。(3发展新

18、型产品。利用老的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品,以满足于用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。(4适应特殊环境的测温。在许多场合中的温度检测器有特殊要求,例如防爆、防硫、耐磨等性能要求;又如移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温、火焰温度检测等。(5显示数字化。温度仪表向数字化方向发展。其最大优点是直观、无度数误差、分辨率高、测量误差小,因而有广阔的销售市场。(6标定自动化。应用计算机技术,快速、准确、自动地标定温度检测器。根据上述要求,国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展。(1继续生产量大面广的传统温度检测元件,如:热电偶、热电阻、热敏电阻等。(2加强新

19、原理、新材料、新工艺的开发。如近来已开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器,厚膜、薄膜铂电阻温度检测器,硅单晶热敏电阻温度检测器等。(3向智能化、集成化、适用化方向发展。新产品不仅要具有检测功能,又要具有判断和指令等多功能,采用微机向智能化方向发展。.3.东北大学硕士学位论文第一章绪论(4向机电一体化方向发展。1.5国内外钢水温度检测方法目前,对钢水的温度测量主要有间断法测温和连续测温两种方法【3J。1.5.1间断法钢水温度测量目前,国内外大多数钢铁企业均采用一次性消耗式热电偶间断测量钢水温度。间断法进行钢水温度测量主要有两大类:接触法和非接触法。在接触法中,用热电偶测量钢水温度具有测量准确、可靠

20、、简便等优点。用热电偶测量钢水温度,除了需要耐高温、抗氧化的热电偶外,还要求有抗钢渣侵蚀及热冲击的保护管,或者研制出能够在短时问内经受高温钢水侵蚀和冲击的专用热电偶和特殊方法。前者是研制新型保护管和热电偶,而后者则是采用小惰性结构的浸入式或投入式热电偶,能在烧毁前迅速地测量出钢水温度,如快速热电偶或副枪浸入式热电偶等,而动态测温则是一种特殊测量方法。下面分别叙述各种方法的特点及应用。(1浸入式热电偶浸入式热电偶是各国普遍采用的热电偶。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,热电极用瓷柱或刚玉管绝缘,为能经受钢水及炉渣的高温

21、浸蚀,钢管的前端套有石墨管。在保证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:1热电偶。当温度高于1300时常选用s型、B型、WRe3-WRe25、WRe5一WRe26热电偶等:当温度低于1300时,可选用N型或K型热电偶。热电偶丝直径一般为0.30.8mnl。2保护管。浸入式热电偶采用的保护管有石英管(短时间可用至1700"C、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。3显示仪表。可选用电子电位差计,仪表的量程应根

22、据选用的热电偶和测量范围而定,指针的全行程时间要小于2.5秒。仪表的准确度应不低于O.5级。动圈式仪表通常不能满足上述要求。国外浸入式测量仪已经数字化,可以给出清晰的四位显示,准确度达1,并具有峰值保持装置,即使从熔体中抽出后,仍.4.东北大学硕士学位论文第一章绪论保持测得的温度数值。由于采用干电池供电,使用十分方便。国产浸入式温度仪也已经朝数字量方向发展。沈阳气动仪表四厂生产的浸入式乌铼热电偶测温仪,可用于铸造行业测量铁水与钢水温度。也可用于铁合金及其它有色金属熔体的温度测量。(2快速热电偶快速测量金属熔体温度的热电偶,简称快速热电偶,它是专为测量钢水、铁水及其它金属熔体的温度而设计制造的。

23、世界上许多国家都用此种热电偶测量金属熔体温度。快速热电偶的工作原理和一般热电偶相同。快速热电偶主要包括普通型快速热电偶、无喷溅快速热电偶、感应炉用微型快速热电偶。(3副枪浸入式热电偶氧气顶吹转炉炼钢的特点是,吹炼时间短,反应激烈,终点温度不宜控制。为了适应生产发展的需要,已经开始采用电子计算机控制转炉炼钢,在此就必须使用副枪浸入式热电偶。所谓副枪,是在氧枪的另一侧设置的水冷枪,枪头上安装了可更换的探头。副枪使用的探头有三种形式:测温探头、复合探头(测量温度和含碳量和多用探头(既能测温又能测量氧含量。用副枪测出的钢水温度及碳含量由仪表自动记录、打印或经变送器转换成统一信号送至计算机,作为冶炼过程

24、的参数。副枪浸入式热电偶的突出优点是,可在转炉吹炼过程中进行测量,不必停吹或倒炉,是实现转炉炼钢自动化的关键性测试技术。(4动态测温法动态测温技术是一种新的测温方法,各个国家都在积极进行研究。它的特点是:在非稳态导热过程中,测出传感器的温度随时间变化的函数关系(动态曲线,然后依据一定的数学模型,利用电子计算机推算出被测熔体的实际温度。由于传感器测温时不需要达到热平衡,所以,测温速度较快,既可以用普通热电偶代替贵金属热电偶,降低测温成本,又可降低对保护管材料耐高温、抗腐蚀的苛刻要求。动态测温的缺点是利用外推法计算实际温度,准确度难以提高。此种方法使用于2000"C以上的超高温度测量,其

25、优越性才能得到发挥。这种新的测量方法有待于进一步发展、完善。1.5.2钢水连续测温以上所讲述的是间断测量温度,但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。目前,主要采用热电偶加保护管的方法进行连续检测。各国主要用于钢水连续测温的热电偶保护管如表1.111j所示。.5.东北大学硕士学位论文第一章绪论表1.1钢水连续测温用热电偶常用保护管Tablel.1The common protect pipe oftherrnocouple used in continuously measuring ofmolten steels temperature保护管牌号使用条件可靠性设

26、备温度/时间或浇注次数(%离级耐火材料HCK平炉(150016506C/(2-4h9097高级优质耐火材料电炉(15001750。C/(o.51.0h195l刚玉管(单管HK中间包r1550165"C/(1.5,-,2.oh8799刚玉管TK盛钢桶(15501580*(2/(15,-20次100硼化管转炉(15001800'C/(o.51.oh5080氮化硅结合的氧化铝保护管中间包(6h以上BN-AL203双层保护管间断使用110次以上,连续测温达15h我国转炉钢水温度的测量多采用快速热电偶间断测温,即所谓点测的方法同点测相比,连续测温有许多优点:提高转炉终点温度控制命中率;

27、提高炉龄减少铁合金消耗量:能提供必要的工艺参数。1.6课题来源及本文主要内容本课题是应沈阳东鸣特种测温技术有限公司要求开发的,其主要出发点是和该公司生产的特种保护管配套,设计一种用于钢水温度连续检测的仪器,但考虑到实际使用范围越广越好,因此要求此检测仪器能用于不同的被测物质。本文主要介绍了用热电偶测温的主要原理、实际硬件电路的设计、软件设计和误差分析。第一章研究了温度检测现状及未来发展趋势。第二章主要介绍了热电偶测温的原理,说明了热电偶实际输出电压和温度之间的关系,如何求得总的热电动势,以及一次仪表一热电偶的选择及安装。第三章主要介绍了单片机系统硬件电路的设计过程。第四章主要介绍了仪器的软件设

28、计。第五章介绍了实验及误差分析,验证了系统的功能,同时分析了产生误差的各种因素。第六章主要介绍了本仪器的优点及不足,并对未来的发展提出了展望。第二章温度传感器的开发2.1方案的提出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。热电偶结构简单、容易制造、价格便宜、准确度高、测温范围广,目前已经在许多场合有所应用。2.2热电偶测温原理热电偶是热电温度计的敏感元件。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,

29、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”,记为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【51。L圈2.1赛贝克效应示意圈(T>T0Figure2.1Sketch map ofSeebeck demino offect2.3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

30、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FI AB(T与II AB(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EAB(T,To应为接触电势与温差电势的代数和,且|JEas仃,瓦=H。p一1-I。(to一Eb。一a一矽=兀。仃一永以一以dr兀。a(矗一P(以一“打(2.1各接点的分热电势P等于相应的接触电势与温差电势的代数和%(r=兀。仃一J:p。一a。弦(2.2eAB(to=兀。伉一I:。一一。矽(2.3式中,o为汤姆逊系数,它表示温差为1(或1K时所产生的电动势值,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

31、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>To时,e。仃与总热电动势的方向一致,而e。帆与总电动势方向相反。所以总热电动势可表示成如下形式占。仃,瓦=eAB仃一e。(To=e。仃+e。(to(2.4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E=Ee(T(2.5对于已选定的热电偶,当参考端温度恒定时,P。(to为常数C,则总电动势就变成测量端温度T的单值函数E。仃,瓦=gABp一C=厂仃(2.6上式表明,当To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。C。所以,测量热

32、电动势的办法能够测温,这就是热电偶测温的基本原理。查些查兰堡主堂堡垒圭箜三主兰生堡查墨竺堑垄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

33、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种热电偶,分别是:乌铼3一乌铼25热电偶,铂铑30一铂铑6 (双铂铑热电偶,铂铑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2.1【5】,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。表2.1热电偶使用温度范围Table2.1The temperature rang ofthermocouple名称乌铼3一乌铼25铂铑30一铂铑6铂铑13一铂镍铬一镍硅分度(分度号:WRe3(分度号:B(分度号:R(分度号:K一Wre5长期使用温度上限2000160013008

34、00(短期使用温度上限280018001600900(2.4.1.1乌铼3一乌铼25热电偶乌铼3一乌铼25热电偶是非标准化热电偶,目前由于生产工艺的改进,国产东北大学硕士学位论文第二章温度传感器的开发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。C,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。乌铼3一乌铼25热电偶的电极丝直径通常为0.20.5mm,精度为±1%t,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。乌铼3

35、一乌铼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。乌铼热电偶极易氧化,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"C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,乌铼热电偶长期使用的测量温度上限是2000。C,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。C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20009C时对应的输出电压是35.707mV。2.4.1.2铂铑30一铂铑6热电偶该种热电偶是一种典型的高温热电偶,分度

36、号为B。它的正极为含铑30%的铂铑合金(BP,负极为含铑6%的铂铑合金(BN。两级均为铂铑合金,故称双铂铑热电偶。该种热电偶的特点是,在室温下电动势极小(256C时为一2u v,50时为3u V,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。C,短期使用温度为1800。C。铂铑6合金的熔点为1820,限制其使用上限。双铂铑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。2.4.1.3铂铑13一铂热电偶该热电偶正极为铂铑合金(RP,负极为纯铂(I。热电性能稳定、抗氧化性强,宜在氧化性、惰性气氛中使用。

37、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"C。该热电偶最高使用温度为1600"(2,对应的输出电压为l8.842mV。r2.4.1.4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,热电动势与温度东北大学硕士学位论文第二章温度传感器的开发的关系近似线性,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1000。C,短期使用温度为1200。C,经过选择后优质K型热电偶可以作为标准

38、,用以分度工作用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

39、势为A Tn A以Tn AB B B8(a(b|璺|2.2补偿导线原理图Figure2.2The theory map ofcompensate leadE。仃,瓦,瓦=Ea8p,L+E。p,L+E.。阮,70而(b回路的总热电动势为EABB'A'p,L,%=E。p,70+e。.。.也,70如果E。p,瓦,兀=EABB'A'仃,L,矗则EAB纯,矗=Ea,n.也,兀(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。东北走学硕士学位论丈第二章温度传感器的开发2.4.2.2补偿导线的型号与分类对标准热电偶来说,根据热电偶补偿导线标准(GB4989

40、499085,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=AB=B。(2.8非标准热电偶一鸟铼系列热电偶补偿导线,目前列于我国专业标准(ZB N05 002.88中,其型号分为G型和H型。2.4.2.3补偿导线

41、的使用原则补偿导线的选用遵循以下原则【31:1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,不得超过规定的使用温度范围,通常接点温度在100*C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,连接点处两接点温度必须相同,否则会引入误差。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,.=1000,仪表的环境温度t,=20。C,热电偶参考端温度t,=50。C,如果热电偶与仪表之间采用补偿导线和铜线连

42、结,其计算结果如下。先由K型热电偶分度表查得E=41.269mV,E50=2.022mV,E20=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为E(t,t,=41.269-0.798=40.471mV(相当于980。C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E“,t2=41.269-2.022=39.247mV(相当于948。c由该例可以看出使用补偿导线可以大大提高测量准确性。东北大学硕士学位论文第二章温度传感器的开发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

43、偶的输出电压是B口,To=e日(丁一e口(L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环境稳度的影响,不仅其参考端温度难以保持0。C,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

44、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【6】。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1肚A/K。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

45、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【7l。当AD590两端加+4V+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时输出的电流为298.211A,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

46、测得的实际温度值。图2.3冷端温度测量放大电路Figure2.3Measure magnify circuit ofcold end temperature2.4.4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。通常,在1000以下选用粘土质绝缘瓷管;在1300"(2以下采用高铝质绝缘瓷管;在1600以下选用刚玉质绝缘瓷管【8J。绝缘管的规格有单孔、

47、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【引。表2.2保护管材料分类及使蹦条件Tabte2.2Sorts and using condition of protect tube material材

48、质使用条件金属铜和铜合金用于300以下无浸蚀性介质及合无缝钢管使用在600以下不锈钢长期使用温度为850"C高温不锈钢管可以用于1100铁基、镍基、钴基高温合金用于1300以下铂及铂铑合金可以用于1100。C或更高温度钼、钨、钽等难熔金属非氧化性气氛下的高温领域非金氧化物保护管一石英管多用1000以下属保氮化物陶瓷Si sN保护管对金属有很强的抗腐蚀能力,常用于12001300。C 护管硼化物保护管宜在1650以下使用,抗氧化、抗渣腐蚀性差碳化物保护管只用于双层管的外保护管石墨保护管可以用于钢液、铁水测温二硅化钼保护管使用于氧化、还原气氛中,可用于1600"C以下金属金属陶

49、瓷常用温度1600。C,适用于液态金属,不能用于氧化陶瓷性气体保护金属陶瓷LT一1常用温度1300C,适用于非金属熔体簪复合双金属复合金属熔体测温,耐金属腐蚀性好,温度根据具体使保护用材料定管复合陶瓷管金属熔体测温,耐金属腐蚀性好,温度根据具体使用材料定涂层用于高温熔体测温在本设计中,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型的金属陶瓷材料,

50、壁厚3.5mm,具有良好的使用性能:东北大学硕士学位论文第二章温度传感器的开发耐高温、寿命长。可在1500。C1650。C钢水中长期工作,埋入式使用条件F最高寿命达55h,一般为3040h,在从钢水上面插入条件下使用,其寿命为lOh以上,使用最高温度达1800。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Mo为主体、以AL203为陶瓷相,并掺加适量的Cr203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。C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,并且管壁很薄,有良好的导热效果。抗震性能好。反复从150017

51、00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金属陶瓷保护管图2.4测温探头结构示意图Figure2.4The structure sketch of thermoscope.16.,23¨他东北大学硕士学位论文第三章多功能智能化温度测量仪的硬件设计第三章多功能智能化温度测量仪的硬件设计3.1系统总体设计仪器总体原理框图如图3.1所示。图3.1系统示意图Figure3.1The sketch map ofsystem整个仪器除感温元件外,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

52、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,因此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年推出的MCS一51系列的8位高档机之一,其内部赣源分配如下:八位CPU,寻址能力64KB:.17.东北大学硕士学位论文第三章多功能智能化温度测量仪的硬件设计128字节RAM;4个八位I/O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/地址11lJ。由于每个端口

53、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/O并行口进行说明:AP0口:P0口是一个漏极开路的8位双向/dO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I/O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803l带片外存储器,P0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接口电路等均进行了扩展,共扩展了48K

54、存储器,属于第二种情况。BPl口:Pl口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口,在Pl口作为输入口使用时,应先向P1口锁存器(地址90H写入全l,此时Pl口引脚由内部上拉高电平。当Pl口作为通用I/O口使用时,P1.7P1.0的功能和P0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。cP2口:P2口也是一个带内部上拉电阻的8为准双向I/O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I/O VI使用;第二功能是和P0口第二功能相配合,用于输出片外存储器的高8位地址,共同选中片外

55、存储器单元,但不能象P0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74LSl38的A、B、C引脚。DP3口:是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口,第一功能和P0、Pl、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112】。表3.1P3口各位的第二功能Table.3.1The second function ofP30P37P3口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.11XD串行数据发送口.18.东北大学硕士学位论文第三章多功能智能化温度测量仪的硬件设计续表3.1 P3.2INTQ外部中断0输入P3.3n

56、f丁1外部中断1输入P3.4TO计数器0的外部输入P3.5T1计数器1的外部输入P3.6WR外部RAM/10的写选通信号P3.7RD外部RAM/IO的读选通信号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器IS0100、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ADl674将输入的模

57、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32所示。多路转换开关图3.2模拟信号输入模块Figure3.2Analog signals input module.19.东北大学硕士学位论文第三章多功能智能化温度测量仪的硬件设计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【13I。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:一类是电磁耦合隔离放大器,也称为变压器耦合隔离放大器;另一类是光电耦合隔离放大器。一般地讲,变压器耦合隔离放大器有比光电耦合隔离放大器更高的精度(可达O.Ol%,但速度比光电耦合隔离放大器慢。本设计中选用IS0100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,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0.3u Atl4】。IS0100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问通过光电耦合传送信号,因而