热电偶传感器测温系统论文

热电偶传感器测温系统 姓名： 孙志勇 学号：131401010026 摘要 ：

热电偶是一种被广泛应用的温度传感器，也被用来将热势差转换为电势差。它的价格低廉、易于更换，且有标准接口，具有很大的温度量程。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，参考相关书籍，运用了涉及尚浅的单片机知识设计了测量电路。此外，为了提高其测量的精确度，探讨了热电偶冷端补偿技术。

关键字：热电偶、测温、冷端温度补偿

一、热电偶测温基本原理

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T和T0的温度不同时,回路中就会产生热电动势,并在回路中有一定大小的电流,此种现象称为热电效应。导体A,B称为热电极。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。

1.1接触热电动势

图1热电偶回路 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：

eAB=(kT/e)ln(NA/NB)

1.2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:

1.3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:

TEAB=(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)-(sA-sB)dT

T0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:

EAB(T,T0)f(T)

1.4有关热电偶测温的基本定律 1.4.1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。 1.4.2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。 1.4.3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EAB(T,T0)等于该热电偶T,T0以及Tn、

T0时的热电动势的代数和,即有下式: EAB(T,T0)EAB(T,T0)EAB(Tn,T0)

1.4.4参考电极定律

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:

EAB(T,T0)EAC(T,T0)ECB(T,T0)

二、热电偶测温系统设计

在这里对水温测试系统进行设计，采用单片机系统控制测量。在此采用热电偶导线自作传感器的封装。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。 2.1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有一段距离，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Af由1脚和8脚间外接的精密电阻RG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。

uout49.4kAf1uinRG

2.2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

三、热电偶冷端补偿技术

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，为此必须进行补偿。补偿方法如下： 1．自由端温度计算校正法

由于热电偶的分度表是在自由端温度保持0℃情况下得到，配套仪

表又是根据分度表刻度，尽管采用了补偿导线将自由端延伸到远离被测对象且温度又比较稳定地方，但只要自由端温度不为0℃，就必须对仪表示值加以修正。若自由端温度不为0℃，而是某一恒定温度t0，则测得的热电势EAB(t,0)，由公式求得实际温度所对应的热电势为

EAB(t,0)EAB(t,t0)EAB(t0,0)

2． 0℃恒温法（冰浴法）

为避免校正的麻烦，可采用冰浴法使冷端保持0℃。将热电偶的自由端放入盛有绝缘油的试管中，该试管则置于装有冰水混合物的恒温器内，使自由端温度保持0℃，然后用铜导线引出。此法多用于科学实验和实验室中。 3． 校正仪表零点法

一般仪表未工作时，指针指在零位上（机械零点）。在自由端温度比较稳定的情况下，可预先将仪表的机械零点调整到相当于自由端温度（一般是室温）的数值上来补偿测量时仪表指示值的偏低。由于室温是变的，因此这种方法有一定的误差，但由于方法简单，故工业上常用。 4. 补偿电桥（自由端温度补偿器）法

它是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势变化值，线路如图6所示

EABC(T,T0)EAB(T)ECA(T0)=EA(T,T0)EC(T0,T0)EB(T,T0)因为EBC(T0)ECA(T0)(kT0/e)ln(NBT0/NCT0)(kT0/e)ln(NCT0/NAT0)(kT0/e)ln(NBT0/NAT0)EBA(T0)EAB(T0)又EABC(T,T0)EAB(T)EAB(T0)EB(T,T0)EA(T,T0)=EAB(T,T0)EAB(T,T0)=EAB(T,Ta)EAB(Ta,T0)EAB(T,T0)EAB(T,T0)EAB(0,T0)

补偿电桥中的三个桥臂电阻R1、R2、R3由锰铜丝制成，另一桥臂电阻RCU由铜丝制成。一般用补偿导线将热电偶的自由端延伸至补偿电桥处，使补偿电桥与热电偶自由端具有相同温度。电桥通常在20℃时平衡R1R2R3RCU20。此时Uab0，电桥对仪表的读数无影响。 当周围环境温度大于20℃时，热电偶因自由端温度升高使热电势减少电桥由于Rcu阻值的增加而使b点电位高于a点电位，在b、a对角线间有一不平衡电压Uba0输出，它与热电偶的热电势叠加送入测量仪表。若选择的桥臂电阻和电流的数值适当，可使电桥产生的不平衡电压Uba正好补偿由于自由端温度变化而引起的热电势的变化值，使仪表指示出正确的温度。由于电桥是在20℃时平衡的，所以采用此法需把仪表的机械零点调到20℃处。测量仪表为动圈表时应使用补偿电桥，若测量仪表为电位差计则不需补偿电桥。