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基于热电偶传感器的电炉温度检测系统

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2020年4月19日
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传感器与检测技术

大作业

基于热电偶传感器的电炉温度检测系统

一、 测温传感器的选择
当前，市场上温度传感器的种类有许多，按照用途分可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法可分为接触的与非接触的等。根据成本、准确度及测温范围不同，选择不同的传感器。下面是一些温度传感器的比较：

种类
热电偶传感器
热敏电阻传感器
PN结电压传感器
传感器材质
两种不同的金属
一种热敏金属
硅半导体二极管
测量温度
0~2400℃
-200~900℃
-50~150℃
信号类型
热电偶则是随着温度的不同，其产生感应电压也不同。
热敏电阻本身是电阻，阻值随着温度的变化而产生变化
半导体集成温度传感器，根据电压变化，来确定温度
特点
热电势比较小，测量精度低，而且使用过程中需要冷端补偿
标准化程度高，但需要接入桥路才能得到输出
体积小，线性好，可是测量温度范围小

在工业化中电炉的温度一般在1000℃以上，而且长时间高温，温度测量的相应程度与准确度要好，因此这对温度传感器提出很高的要求。热电偶传感器具有装配简单，抗震性好，精确度高，相应时间快，使用寿命长，最重要的是耐高温。故择热电偶测量电炉温度的原因有以下4点：
1) 属于自发电型传感器，因此测量时能够不需要外加电源，可直接驱动动圈式仪表。
2) 结构简单，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制，可按照需求选择。
3) 测量范围广，高温热电偶可达1800摄氏度以上，低温热电偶可达-260摄氏度
4) 测量准确度较高，各温区中的误差均符合国际计量委员会的标准。
热电偶的工作原理的热电效应，两种不同成份的导体两端接合成回路时，当两接合点温度不同时，就会在回路内产生热电势。如果热电偶的测量端与补偿端端存有温差时，显示仪表将会显示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。

热电偶的特性：
1) 中间导体定律：在热电偶回路中插入第三种（或多种）均质材料，只要所插入的材料两端连接点温度相同，则所插入的第三种材料不影响原回路的热电势。这条定律表明在热电偶回路中可拉入测量热电势的仪表，只要仪表处于稳定的环境温度即可。同时还表明热电偶的接点不但可经焊接而成，也能够借用均质等温的导体加以连接。
2) 热电偶的热电势将随着测量端温度的升高而增加，热电势的大小只和热电偶导体材质和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。

二、 电炉测温方案论证
你本测温系统根据单片机为微控制器，对系统有2种设计方案：
方案一：系统由热电偶和集成温度传感器AD590测量热端和冷端温度，采用数据采集卡实现信号采集并传输给计算机。根据热电偶中间温度定律，利用计算机采用查表和曲线拟合进行非线性校正及冷端补偿。本系统将滤波、非线性和冷端补偿等功能由软件实现，简化了电路设计，提高了系统的稳定性和测量精度，但成本较高。

方案二：根据模电、数电等知识，在不同的温度下热电偶产生不同的电动势，经过运算放大器组成的仪表放大器电路，输出与放大倍数有关的相应0到5V的压降，再由ADC0804模数转换器采集并送给单片机处理数据把测得温度送到液晶屏上。不同的温度产生不同的压降，且基本上呈线性规律。因此放大压直接送单片机处理并显示。

方案论证：从精确度来看，方案一好，但方案二电路实现简单，占用内存较小，抗干扰能力强，成本较低。所稳定性好可选用方案一测量电路，若考虑便于与单片机接口连接，方案二最方便。因此本系统中选用方案二。

三、 电炉温度检测系统工作原理
查阅文献资料，热电偶的两种金属材料只有有多种组合形式满足电炉的抗高温的要求，但实际生产中用铂铑30/铂铑6热电偶。其分度号为s,正极是90%铂和10%铑的合金,负极为纯铂丝。这种热电偶的优点是能容易制备纯度极高的铂铑合金,因此便于复制,且测温精度高,可作为国际实用温标中630.74—1064.43℃范围内的基准热电偶。其物理化学稳定性高,宜在氧化性和中性气氛中使用;它的熔点较高,故测温上限亦高。在工业测量中一般用它测量1000℃以上的温度,在1300℃以下可长期连续使用,短期测温可达1600℃。因此我选择这种电偶。
在工业生产中，测温范围从几百度到一千多摄氏度，而普遍的测量的方法是用直接接触测温法。直接测温法是指采用各种型号与规格的热电偶，用焊接与粘贴的方法，将热电偶与被测物体接触，然后将把热电偶接到显示器上组成测温系统。同时为了减少误差，要在测量端的地方应加上足够长的保温材料保温。
测温元件—— 热电偶温度计。它是一种感温元件 , 把温度信号转换成热电动势信号 , 经过电气仪表转换成被测介质的温度，结构根据热电偶的原理设计。其电动势的表示公式：

A和B的顺序代表电动势的方向；
k——玻尔兹曼常数；
T——接触处的绝对温度；
e——单位电荷量；

放大元件—— 采用如下仪表放大器，电路放大差模信号，抑制共模信号，减少输入噪声的影响。放大电路图如下：

另有部分元件，单片机与显示屏以及AD0804都是成型的模块，再次就不必细说了，剩下就是编程，把传感器得到的数据进行处理显示了。
在测量中得到是模拟信号，因此还需放大转换整数字信号，在传给单片机处理，最后给显示屏。

四、 结果与讨论
本实验的误差主要出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。另外，在高温的情况下，测量线路也会存在能量消耗，因此需要一定的补偿处理。
本实验，虽然实现了测量电炉的温度，可是误差比较大，不稳定，还有许多工业实际因素还未考虑，可是我能够从这里面得到一些思路，如何处理传感器信号，进一步认识了电偶传感器的用法。
五、 参考文献
《自动检测技术及应用》——梁森 欧阳三泰 王侃夫
《传感器与应用电路设计》——赵继文
《传感器技术及其工程应用》——金发庆