Project2热电偶传感器应用及发展.docx

金爬粵更HEFEI UNIVERSITY自动检测技术Project2-—热电偶传感器的应用及发展专业班级姓名完成时间系 别电子信息与电气工程系自动化09自动化1班王杰、王典、方来红2011年11月30日热电偶传感器浅谈摘 要：简要说明了电容式传感器的工作原理和简单定律重点说明了一种基于 偏置模式的热电偶用V - PWM转换器的设计方法和应用电路最后说明了传感器 的发展趋势关键词：偏置模式、热电偶、V - PWM转换器、线路简单正文：一、电容式传感器介绍：1热电偶工作原理如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端 叫参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生电流，那么两端之间就会存在 Seebeck热电势，即塞贝克效应热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温 差有关，与热电偶导体的长度、直径无关.< :〉热电偶冋路 热电偶示意图 1-热电偶2-连接导线3-显示仪表图1热电偶具有构造简单、适用温度范围广、使用方便、承受热、机械冲击能力 强以及响应速度快等特点，常用于高温区域、振动冲击大等恶劣环境以及适合于 微小结构测温场合；但其信号输出灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号和前置 放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。

2热电偶性能和参数1） 热响应时间在温度出现阶跃变化时，热电偶的输出变化至阶跃变化值的50%所需要的时间称 为热响应时间，用T 0.5表示2） 公称压力一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而不破裂，实际上，公称压力不仅与保护管材料、直径、壁厚有关，述与其结构形式、安装方法、置入深度以 及被测介质的流速和种类等有关3）热屯偶最小置入深度应不小于其保护管外径的8〜10倍（特殊产品例外）3热电偶基本定律（一）中间导体定律由导体A、B组成的热电偶回路，当引入第三种导体C时，只要保持第三种 导体C两端的温度相同，引入导体C后对冋路总电势无影响，即回路中总的热电 势与引入第三导体无关，这就是中间导体定律根据这一定律，如果需要在回路 中引入多种导体，只要保证引入的导体两端温度相同，均不会影响热电偶回路中 的热电势，根据此定律可以在回路中方便地连接齐种导线及显示仪表图2•有中间导体的热电偶回路（-）均质导体定律由一种均匀介质导体组成的闭合回路，不论导体的截面、长度以及各处的温 度分布如何，均不产生热电势该定律说明：如果热电偶的两根热电极是由两种 均质导体组成，那么热电偶的热电势仅与两接点温度有关，与沿热电极的温度分 布无关。

如果热电极为非均质导体，当处于具有温度阶梯的情况时，将会产生附 加电势，引起测量谋差所以，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的主要指 标Z一O(三)中间温度定律在热电偶测温冋路中，常会遇到热电极的中间连接问题，如果连接点的温度 为tn ,连接导体A，或W的热电特性相同，则总的热电势等于热电偶与连接 导体的热电势的代数和EaBBz Af (t, tn, to) =EAB (t, tn) +Ea5 (tn, to)根据这定律，在实际测温中按照现场的安装情况，可以连接热电特性相同的导体 A，或W ,起到延长热电极的作用，以适合不同的安装要求图4•中间温度回路(四)标准电极定律如果导体A、B分别与第三导体C组成热电偶，他们的测量端温度均为I, 参考端温度均为tO产牛的热电势分别为EAC (t, tO)和EBC (t, tO),由导体A、 B组成的热电偶产生的热电势可以按下式计算Eab (t, to) =Eac (t, to) -Ebc (t, to) =Eac (t, to) +Ecb (t, to)这里采用的导体c称为标准电极，一般所用材料为纯钳，因为钳容易提纯，物理 化学性质稳定，熔点较高，这种方法大大方便了热电偶的选配工作，只要知道某 些材料与标准电极相配的热电势，就可以由上述定律求出任何两种材料组成热电 偶的热电势。

4热电偶的分度规格及特性表二、热电偶的应用（偏置模式的热电偶用V - PWM转换器）热电偶作为测温元件，其结构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高, 可就地测量和远传在工作时，只要与显示仪表配合即可测量气体、液体、固体 的温度热电偶可以用来测量- 200〜1600 C范围内的温度，有些热电偶甚至可 测2000 C以上温度所以热电偶是使用较广泛的测温元件之一但其热电偶的 缺点是其输出热电势很微弱，且具有非线性特性、使用时需进行冷端补偿因此 使用热电偶作为测温元件时，需要高放大倍数进行放大后，利用A /D转换器进 行模数转换，供单片机处理，因此所用器件多、成本高文中提出了一种采用偏 置方式的V - PWM转换模式，即利用简单的恒流源把输入电压转换成电流后对电 容充电，从而获得PWM波形由于恒流源木身具有很高的转换系数，无需进行放 大,同时完成电压放大及脉宽转换，配合AT89C2051单片机，可设计出性能稳 定、转换精度高、电路简单、成本低的宽范圉温度控制器偏置模式的热电偶用V - PWM转换器的工作原理通用温度检测器的框图如图5所示用高增益的放大器进行放大后，利用10 bit以上的A /D转换器进行模数转换，供单片机处理。

热电偶图5•通用温度检测器的框图图6.V- PWM转换模式温度检测器的框图2. 1恒流源的工作原理V - PWM转换模式的温度检器的具体屯路如图3所示运算放大器U1A和7?组成恒流源，对魁行充电，利用AT89C2051内部的比较器检测充电电压2.5 V5\v.tRSTrjHXD/\/rxn/<INT1/<；\l>J6 2 051r r热电偶图7.V • PWM转换模式的温度检测器的具体电路设同相端输入电压为"，则根据“虚拟地”的原理反向端电压也近似为农， 因此电阻胚 中产生的电流为/吐,利用这个电流对C进行充电，获得线性 充电曲线2.2 V - PWM转换原理用恒流对电容进行充电时电流与充电电压的关系由式仃）决定(i)充电电压必为某一常数，改变灯时在必与充电时间z坐标平面上可获得不同 斜率的线性充电曲线，如图4所示图中，巾+ 1 >% >… >弦 >刃图&改变Vi时不同斜率的线性充电曲线由式（1）中可以看出，由于々与十为反比关系，因此输入电压很小时，时间 改变量很大，远远超出单片机16位计数时的最大时间（约65 ms）;另外，输入电 压过小时，使用单电源的运算放大器的放大特性的线性度很不理想。

为了同时克 服上述两个缺点，输入电压不是从“开始，而是冷开始，则其改变范围由原 来的变为AZ2,大大缩小了时间改变量因此在热电偶的一端加入适当的 偏置电压由式（1）中可求得"与广之间的关系为CRxVc匕 ~— （2）加入偏置电压Vz后，式（2）可改写为CRxVcV.二 Vz （3）式中，Vz位偏置电压；tz为加入偏置电压后的时间可知加入偏置电压后，利 用测得的时间Tz在单片机里进行第一项的运算后减去常量Vz即可得到实际的 电压值，从而推算出温度热电偶的温度和输出电压Z间近似为线性关系（如果需要高精度测量，可在 单片机内部进行校正），因此式（3）两端乘一个比例系数可得温度TC的值，吋间tz可用脉冲数N来表示TcKCR、%N表2中列出了K2500热电偶的冷端温度为15 C,温度在20〜1 000 C范围内改变 时，热电偶的温度电压关系，可知电压改变量为0. 14〜3912 mVo温度/C电压/111V温度/ C电压/mV温度/ C电压/mV200-42509-237014501.22609.638014-41003-22701039014- 81605-628010-440015.2170629010- 841015-61806-430011-243016-41906-831011- 644016. 82007-23201250019-22107.633012.460023.2220834012. 880031.22308-435013.290035.22408-836013.61 00039-2表2 K2500热电偶的温度•电压关系实测发现HA17358的输入电压〉5 mV时，线性度较好，因此可采用5〜10 mV的偏 置电压。

在图9中，每次转换以前单片机在B点输出高电平进行清零，此吋运放的反 向端高于同相端，输出为低电平，电容C1的电压通过R1放电转换时单片机在 B点输出低电平，电容C1开始恒流充电，同时开启16位定时器计数，当电压达 到2. 5 V时单片机AT89C2051的内部比较器输出为低电平，单片机停止计数，在B 点输出高电平进行清零工作波形如图9所示采样周期图9・V・PWM转换时波形比2.3 V - PWM转换器精度的分析电压，则运放的输入电压为1014〜如果检测0〜1 000 C时加入10 H1V的偏f 4912 mV,选择适当的R1和C,使最小输入电压时脉宽为60 ms左右，最大输入电 压时脉宽为1 ms左右单片机的时钟采用12 MHz,此时时间分辨率为lus, 16位计数器的最大计数位为65536个，因此时间在1〜60 ms范围改变时，计数脉冲的改变量是59000个 由式3可知温度和脉冲个数N成反比关系，图6为温度毎改变50 C时所对应的脉 冲个数N可知在温度高段区分辨率低，而在温度低段区分辨率很高，有利于提 高温度的检测精度图10・温度・脉冲个数N的变化曲线00000000000000000050505^505050505050000776^5544332211表3中列出了不同温度段的分辨率分布，可知在600 C以下具有0141 C的 转换分辨率，在整个测量范围内具有优于1 /I 000的精度，可达到优于10 bitA /D芯片的转换效果。

测量温度/ C温度分辨率/ C1 000〜8000・9〜0・75800〜6000・75〜0・41600〜4000・41〜0・19400〜3000. 19 〜0・ 12300 〜200. 12 〜0・ 01表3不同温度段的转换分辨率分布图11为实测的工作波形图，可以看出恒流源电路简单，但恒流特性好三、发展趋势集成化、多功能化与智能化(1) 传感器集成化包括两种定义，一是同一功能的多元件并列化，即将同一 类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的为线性传感 器，CCD图彖传感器就属于这种情况集成化的另一个定义是多功能一体化，即 将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件目前，各类集成化传感器已有许多系列产品，有些已得到广泛应用集成化 己经成为传感器技术发展的一个重要方向随着集成化技术的发展，各类混合集 成和单片集成式压力传感器相继出现，有的已经成为商品70年代国外就出现了集成温度传感器，它慕。