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基於熱電偶的溫度測量系統

溫度是反映物體冷熱狀態的物理引數,對溫度的測量在冶金工業、化工生產、電力工程、機械製造和食品加工、國防、科研等領域中有廣泛地應用。在某些特殊的場合對溫度的檢測速度有很高的要求,例如:在測量汽車發動機吸入空氣的溫度的時候,就要求熱響應時間小於1s;太空梭的主發動機的溫度測量要求0.4s內完成等。因此針對以上問題就有人提出溫度快速測量的思想

通常用來測量溫度的感測器有熱電阻溫度感測器、熱敏電阻、熱電偶、半導體溫度感測器等幾種。這些常用溫度感測器一般的溫度測量中可以滿足響應速度的問題。但在特殊的場合就不能達到快速檢測的要求,例如在氣體溫度測量時候,由於溫度感測器自身的熱滯特性,而氣體傳熱過程又比較緩慢,氣體溫度測量就有很大滯後。工業常用的精度較高的溫度感測器有鉑熱電阻、半導體溫度感測器等。鉑熱電阻具有溫度測量範圍大、重複性好、精度高等特點,但是響應不是很快,特別是在對氣體溫度測量時至少要幾秒鐘,在某些工作環境比較特殊的場合,如高壓環境下,還需使用鎧裝的鉑熱電阻,更是延緩了熱響應速度。半導體溫度感測器分熱敏電阻和

PN結型溫度感測器兩種。熱敏電阻非常適合對微弱溫度變化的測量,但是缺點是非線性嚴重;PN結型的特點是體積小、線性輸出、精度高,但是不能使用在液體環境,對氣體溫度變化響應也較慢[1]。所以用溫度感測器一般都存在著對氣體溫度變化響應較慢的問題。在對溫度實時性測量要求比較高的系統,運用常用溫度測量方法很難做到對溫度的快速測量,對系統的精度影響就很大。在工業過程控制與生產製造領域普遍使用具有較高測溫精度及測溫範圍的熱電偶做測溫元件。在工業標準熱電偶中,K(鎳鉻-鎳矽)熱電偶由於具有價格低廉、輸出熱電勢值較大、熱電勢與溫度的線性關係好、化學穩定性好、複製性好、可在1000℃下長期使用等特點,因而是工業生產製造部門應用最廣泛的熱電偶元件。但是將熱電偶應用在基於微控制器的嵌入式系統領域時,卻存在著以下幾方面的問題。
非線性:熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關係為非線性關係,因此在應用時必須進行線性化處理。冷端補償:熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為0℃時與測量端的電勢差值,而在實際應用中冷端的溫度是隨著環境溫度而變化的,故需進行冷端補償。數字化輸出:與嵌入式系統介面必然要採用數字化輸出及數字化介面,而作為模擬小訊號測溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個要求。在許多熱工實驗中,往往面臨熱電偶冷端溫度問題,不管是採用恆溫補償法(冰點補償法)還是電橋補償法,都會帶來實驗費用較高、實際的檢測系統較複雜.難以達到實時測量、介面轉換電路複雜等問題,而隨著計算機測控技術在工業生產製造領域的普遍應用,溫度引數的微機化測量與控制已成為必然趨勢。因此我們必須解決對熱電偶測量訊號的放大調理、非線性校正、冷端補償、模數轉換、數字輸出介面等一系列複雜的問題
,以及解決模擬與數位電路硬體設計過程和建表、查表、插值運算等複雜的軟體編制過程,以達到使電路簡化,成本減少,增加系統可靠性的目的

鑑於上面的分析,本論文主要任務是設計一種基於高精度K型熱電偶感測器的快速測溫系統。採用帶有冷端補償的溫度轉換晶片MAX6675K型熱電偶、89C52微控制器、數碼管等元器件設計出相應溫度採集電路、溫度轉換電路、溫度控制電路、超量程報警電路、數碼管顯示電路。系統用微控制器對帶有冷端補償的溫度轉換晶片MAX6675進行控制,要達到任務書中的技術指標,使其具有良好的實用效能,能夠實現對固體表面、液體和氣體溫度的高精度快速測量。