气象课程热电偶测温设计

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1、热电偶测温系统设计摘要：热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，在工业用温度传感器中占有及其重要的地位。该测温系统由温度测量电路、运算放大电路、A/D转换电路及显示电路组成，以89C51单片机为主控单元，由K型镍铬-镍硅热电偶测量热端温度T，测量范围在0—1200℃之间，由集成温度传感器AD590测量冷端温度T0，并对测温热电偶的热电势及AD590测得的补偿电势进行采样，送入A/D转换器转换成数字量，存放在单片机内存单元中，经程序解算后得到温度值，转换为BCD码，同时驱动四位数码管显示。试验结果显示，该系统对温度测量具有较高的精度，实现了温

2、度测量功能，其主要技术指标达到了系统设计要求。关键词：热电偶；温度；A/D；单片机1.热电偶测温原理及系统框图1.1热电偶测温原理热电偶的基本工作原理是热电动势效应。1823年塞贝克发现，将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路（称为热电偶，见图1-1），若两接触点温度（T，T0）不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克效应，通常称为热电效应。回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB（T，T0）表示。两种不同的导体A和B称热电极，测量温度时，两个热电极的一个接点置于被测温度场（T）中，称该点为测量

3、端，也叫工作端或热端；另一接点置于某一恒定温度（T0）的地方，称参考端或自由端、冷端。T与T0的温差愈大，热电偶的热电势也愈大，因此，可以用热电势的大小衡量温度的大小。图1-1热电效应当热电偶两电极的材料不同，且A、B固定后，热电偶的热电势EAB（T，T0）便成为两端温度T和T0的函数，即：EAB（T，T0）=E（T）—E（T0）（1-1）也就是说，热电偶的热电势等于热端与冷端温度T和T0所引起的电势差。当T0保持不变，即E（T0）为常数时，则热电势EAB（T，T0）便为热电偶热端温度T的函数EAB（T，T0）=E（T）—C=Φ（T）（1-2）由此可知，

4、EAB（T，T0）与T有单值对应关系，这就是热电偶测温的基本公式。1.2系统框图如图1-2所示。此方案采用89C51单片机系统为核心开发热电偶测温系统。I/VAD590K型热电偶放大A/D转换(TLC0832)单片机89C51显示电路T0T图1-2方案二的系统框图系统由四大部分组成：（1）温度测量电路及放大电路；（2）冷端温度补偿电路；（3）A/D转换电路；（4）89C51驱动的LED显示电路。对系统框图的说明如下：热电偶选用的是K型热电偶（镍铬-镍硅热电偶），测温范围选用0—1200度，利用集成温度传感器AD590进行冷端补偿，放大电路选用自动调零放大

5、电路，A/D转换器选用TLC0832，单片机选用89C51，并扩4个74LS164，连接4个LED数码管。集成温度传感器AD590测量冷端温度T0，其输出电流与绝对温度成正比（1μA/K）,它相当于一个温度系数为1μA/K的高阻恒流源。将输出电流通过电阻及放大器转换成电压信号，送入A/D转换器转换为数字量，存放在内存单元中，完成了对补偿电势的采样。由K型镍铬-镍硅热电偶测量热端温度T，经放大器放大，再由A/D转化器转换成数字信号，单片机将该信号与内存中的补偿电势相加，得到真实的热电势值，并编程实现计算温度值，转换为BCD码，利用单片机驱动四个74LS16

6、4及LED数码管，显示被测温度。2.热电偶测温系统硬件电路设计2.1温度测量及放大电路本系统设计选用K型（镍铬-镍硅）热电偶，此热电偶是目前用量最大的廉价金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。Ｋ型热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金。可测量0～1300℃的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃。其主要特点如下：(1)K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。(2)K型热电偶不能直

7、接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。为了实现温度的数字测量和显示，或组成温度的巡检系统，或向计算机过程控制系统提供温度信号，都要对热电偶的热电势进行数字化处理。所以在采用热电偶的温度数字测量系统中，最基本的环节是热电偶和A/D转换器。使用时必须注意：（1）热电偶输出的热电势信号一般都很小（mV数量级），在进行A/D转换之前，必须经过高增益的直流放大。（2）热电偶的热电特性，一般来讲都是非线性的。欲

8、使显示数和输出脉冲数与被测温度直接相对应，必须采用线性化措施进行非线性校正。可采