熱電偶冷端熱補償方法比較 2

1、智能儀器儀表綜合課程設(shè)計 摘 要 此次設(shè)計隸屬于智能儀器儀表課程設(shè)計，主要通過了解熱電偶的基本特性，測溫條件，主要熱點，工作原理，常見種類，測量方法，主要分類，安裝要求，正確使用，故障處理，主要優(yōu)點等。并且通過熱電偶補償導線，冷端補償修正，冷端0恒溫法，補償電橋法, 智能補償法,儀表機械零點調(diào)整法對熱電偶進行冷端補償。隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會對各種信息參數(shù)的準確度和精確度的要求都有了幾何級的增長，而如何準確而又迅速的獲得這些參數(shù)就需要受制于現(xiàn)代信息基礎(chǔ)的發(fā)展水平。在三大信息信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計算機技術(shù))中，傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度

2、傳感器技術(shù)，在我國各領(lǐng)域已經(jīng)引用的非常廣泛，可以說是滲透到社會的每一個領(lǐng)域，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。傳感器知識面廣，如果在實踐技能的鍛煉上下功夫，單憑課堂理論課學習，勢必出現(xiàn)理論與實踐脫節(jié)的局面。任隨書本上把單片機技術(shù)介紹得多么重要、多么實用多么好用，同學們?nèi)匀粫械侥侵皇强罩袠情w，離自己十分遙遠，或者會感到對它失去興趣，或者會感到它高深莫測無從下手，這些情況都會令課堂教學的效果大打折扣。本次設(shè)計的目的就是讓我們在理論學習的基礎(chǔ)上，通過完成一個傳感品器件的設(shè)計，使我們學生不但能

3、夠?qū)⒄n堂上學到的理論知識與實際應(yīng)用結(jié)合起來，而且能夠?qū)﹄娮与娐贰㈦娮釉骷?、印制電路板等方面的知識進一步加深認識，同時在軟件編程、排版調(diào)試、焊接技術(shù)、相關(guān)儀器設(shè)備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。 關(guān)鍵詞：熱電偶；冷端補償；智能儀器儀表目 錄1.緒論31.1智能儀器儀表工作原理31.2智能儀器儀表的作用32.熱電偶42.1基本介紹42.2測溫條件52.3主要特點52.4結(jié)構(gòu)要求62.5工作原理62.6常見種類72.7安裝82.8測量方法82.9主要分類92.10安裝要求92.11正確使用102.12故障處理112.13溫度補償142.14主要優(yōu)點143.熱電偶冷端補償方法163.1熱電偶

4、補償導線163.2冷端溫度修正法163.3冷端0恒溫法173.4冷端溫度自動補償法（補償電橋法）：17 3.4.1 熱電偶原理18 3.4.2 PN 結(jié)測溫原理194.結(jié)論235.參考文獻241.緒論1.1智能儀器儀表工作原理傳感器拾取被測參量的信息并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關(guān)；由單片機逐路選通模擬開關(guān)將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大后的信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號后送入單片機中；單片機根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運算和處理如非線性校正等；運算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行顯示和打??；同時單片機把運算結(jié)果與存儲于片內(nèi)FlashROM閃速存儲器或E2

5、PROM電可擦除存貯器內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進行運算比較后，根據(jù)運算結(jié)果和控制要求，輸出相應(yīng)的控制信號如報警裝置觸發(fā)、繼電器觸點等。此外，智能儀器還可以與PC機組成分布式測控系統(tǒng)，由單片機作為下位機采集各種測量信號與數(shù)據(jù)，通過串行通信將信息傳輸給上位機PC機，由PC機進行全局管理。1.2智能儀器儀表的作用測量儀器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用PC機的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機組成測量儀器。這種基于PC機的測量儀器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完

6、全不同的測量儀器。可見，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器”。傳統(tǒng)的智能儀器主要在儀器技術(shù)中用了某種計算機技術(shù)，而虛擬儀器則強調(diào)在通用的計算機技術(shù)中吸收儀器技術(shù)。作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴展性和升級性，能為用戶帶來極大的利益，因此，具有傳統(tǒng)的智能儀器所無法比擬的應(yīng)用前景和市場。智能儀器是計算機科學、電子學、數(shù)字信號處理、人工智能、VLSI等新興技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)的結(jié)合。隨著專用集成電路、個人儀器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器將會得到更加廣泛的應(yīng)用。作為智能儀器核心部件的單片計算機技術(shù)是推動智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發(fā)展的動力?？梢灶A料，各

7、種功能的智能儀器在不遠的將來會廣泛地使用在社會的各個領(lǐng)域。2.熱電偶2.1基本介紹熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導體組成閉合回路，圖2.1.1當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect）。兩種不同成份的均質(zhì)導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。圖2.1.2在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶

8、所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償正常。與測量儀表連接用專用補償導線。熱電偶冷端補償計算方法：從毫伏到溫度：測量冷端溫度，換算為對應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度；從溫度到毫伏：測量出實際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相

9、減後得出毫伏值，即得溫度。 圖2.1.3 熱電偶高清圖片2.2測溫條件是一種感溫元件，是一種一次儀表，熱電偶直接丈量溫度。由2種不同成分材質(zhì)的導體組成的閉合回路，由于材質(zhì)不同，不同的電子密度產(chǎn)生電子擴散，穩(wěn)定均衡后就產(chǎn)生 了電勢。當兩端存在梯度溫度時，回路中就會有電流產(chǎn)生，產(chǎn)生熱電動勢，溫度差越大，電流就會越大。測得熱電動勢之后即可曉得溫度值。熱電偶實際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，可將熱能轉(zhuǎn)換成電能。熱電偶的技術(shù)優(yōu)勢：熱電偶測溫范圍寬，性能比擬穩(wěn)定；丈量精度高，熱電偶與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響；熱響應(yīng)時間快，熱電偶對溫度變化反響靈活；丈量范圍 大，熱電偶從-40+ 1600 均可連續(xù)測溫；

10、熱電偶性能牢靠， 機械強度好。運用壽命長，裝置便當。電偶必需是由兩種性質(zhì)不同但契合一定請求的導體（或半導體）資料構(gòu)成回路。熱電偶丈量端和參考端之間必需有溫差。當導體A將兩種不同資料的導體或半導體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回和B路的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因此在回路中構(gòu)成一個大小的電流,這 種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是應(yīng)用這一效應(yīng)來工作的。2.3主要特點1、裝配簡單，2.3.1熱電偶（圖2）更換方便；2、壓簧式感溫元件，抗震性能好；3、測量精度高；4、測量范圍大（2001300，特殊情況下2702800）；5、熱響應(yīng)時間快；6、機械強度高，耐壓性能好；7、耐高溫

11、可達2800度；8、使用壽命長。2.4結(jié)構(gòu)要求熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、圖2.4.1熱電偶（圖3）穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下：1、組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；2、兩個熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；3、補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；4、保護套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。2.5工作原理兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，2.5.1熱電偶（圖4）當兩個接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為

12、測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。熱電偶實際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個問題：1、熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函數(shù)；2、熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；3、當熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。將

13、兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，如圖所示。當導體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。2.6常見種類常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶中國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R

14、、J、T七種標準化熱電偶為中國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。熱電偶分度號熱電極材料正極負極S鉑銠 10純鉑R鉑銠 13純鉑B鉑銠 30鉑銠 6K鎳鉻鎳硅T純銅銅鎳J鐵銅鎳N鎳鉻硅鎳硅E鎳鉻銅鎳圖2.61從理論上講，任何兩種不同導體（或半導體）都可以配制成熱電偶，但是作為實用的測溫元件，對它的要求是多方面的。為了保證工程技術(shù)中的可靠性，以及足夠的測量精度，并不是所有材料都能組成熱電偶，一般對熱電偶的電極材料，基本要求是：1、在測溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時間而變化，有足夠的物理化學穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；2、電阻溫度系數(shù)小，導電率高，比熱小；3、測溫中產(chǎn)生熱電勢要大，并且熱電勢與溫度之間呈線性或接近線性的

15、單值函數(shù)關(guān)系；4、材料復制性好，機械強度高，制造工藝簡單，價格便宜。2.7安裝在生產(chǎn)中由于被測對象不同，環(huán)境條件不同，測量要求不同，和熱電阻的安裝方法及采取的措施也不同，需要考慮的問題比較多，但原則上可以從測溫的準確性、安全性、維修方便三個方面來考慮。為避免測溫元件損壞，應(yīng)保證其人足夠的機械強度，為保護感溫元件不受磨損應(yīng)加保護屏或保護管等，為確保安全、可靠，測溫元件的安裝方法應(yīng)視具體情況（如待測介質(zhì)的溫度、壓力、測溫元件的長度及其安裝位置、形式等）而定。下面僅舉幾例以引起注意：凡安裝承受壓力的測溫元件，都必須保證其密封性。高溫下工作的熱電偶，為防止保護管在高溫下產(chǎn)生變形，一般應(yīng)垂直安裝，若必須

16、水平安裝則不宜過長，并用支架保護熱電偶。若測溫元件安裝于介質(zhì)流速較大的管道中，則其應(yīng)傾斜安裝。為防止測溫元件受到過大的沖蝕，最好安裝在管道的彎曲處。當介質(zhì)壓力超過10MPa時，必須在測量元件上加保護外套。熱電偶/熱電阻的安裝部位還應(yīng)考慮其拆裝、維修、校驗的足夠空間和場地，具有較長保護管的熱電偶、熱電阻應(yīng)能方便地拆裝。2.8測量方法熱電偶的熱響應(yīng)時間比較復雜，不同的試驗條件會有不同的測量結(jié)果，這是因為它受熱電偶與周圍介質(zhì)的換熱率影響，換熱率高，則熱響應(yīng)時間就短。為了使熱電偶產(chǎn)品的熱響應(yīng) 時間具有可比性，國家標準規(guī)定：熱響應(yīng)時間應(yīng)在專用水流試驗裝置上進行。該裝置的水流速度應(yīng)保持0.40.05m/s

17、，初始溫度在5-45的范圍內(nèi)，溫度階躍值為40-50。在試驗 過程中，水的溫度變化應(yīng)不大于溫度階躍值的1%。被試熱電偶的置入深度為150mm或設(shè)計的置入深度（選其中較小值并在試驗報告中注明）。由于該裝置比較復雜，目前只有極少數(shù)單位有這套設(shè)備，故國家標準中規(guī)定允許生產(chǎn)廠與用戶協(xié)商，可采用其他試驗方法，但所給數(shù)據(jù)必須注明試驗條件。由于B型熱電偶在室溫附近熱電勢很小，熱響應(yīng)時間不容易測出，因此國家標準規(guī)定可采用同規(guī)格的S型熱電偶的熱電極組件替換其自身的熱電極組件，然后進行試驗。試驗時應(yīng)記錄 熱電偶 的輸出變化至相當于溫度階躍變化50%的時間T0.5，必要時可記錄變化10%的熱響應(yīng)時間T0.1和變化9

18、0%的熱響應(yīng)時間T0.9。所記錄的熱響應(yīng)時間，應(yīng)是同一 試驗至少三次測試結(jié)果的平均值，每次測量結(jié)果對于平均值的偏離應(yīng)在10%以內(nèi)。此外，形成溫度階躍變化所需的時間不應(yīng)超過被測試 熱電偶 的T0.5的十分之一。記錄儀器或儀 表的響應(yīng)時間不應(yīng)超過被試熱電偶的T0.5的十分之一。2.9主要分類圖2.9.1熱電偶（圖5）1、按固定裝置型式分類熱電偶作為主要測溫手段，用途十分廣泛，因而對固定裝置和技術(shù)性能有多種要求，因此熱電偶的固定裝置分為六種：無固定裝置式、螺紋式、固定法蘭式、活動法蘭式、活動法蘭角尺形式、錐形保護管式六種。2、按裝配及結(jié)構(gòu)方式分類根據(jù)熱電偶的性能結(jié)構(gòu)方式可分為：可拆卸式熱電偶、隔爆式

19、熱電偶、鎧裝熱電偶和壓彈簧固定式熱電偶等特殊用途的熱電偶。2.10安裝要求對熱電偶與熱電阻的安裝，應(yīng)注意有利于測溫準確，圖2.10.1熱電偶（圖6）安全可考及維修方便，而且不影響設(shè)備運行和生產(chǎn)操作.要滿足以上要求，在選擇對熱電偶和熱電阻的安裝部位和插入深度時要注意以下幾點：1、為了使熱電偶和熱電阻的測量端與被測介質(zhì)之間有充分的熱交換，應(yīng)合理選擇測點位置，盡量避免在閥門，彎頭及管道和設(shè)備的死角附近裝設(shè)熱電偶或熱電阻。2、帶有保護套管的熱電偶和熱電阻有傳熱和散熱損失，為了減少測量誤差，熱電偶和熱電阻應(yīng)該有足夠的插入深度：（1）對于測量管道中心流體溫度的熱電偶，圖2.10.2熱電偶（圖7）一般都應(yīng)將

20、其測量端插入到管道中心處（垂直安裝或傾斜安裝）.如被測流體的管道直徑是200毫米，那熱電偶或熱電阻插入深度應(yīng)選擇100毫米；（2）對于高溫高壓和高速流體的溫度測量（如主蒸汽溫度），為了減小保護套對流體的阻力和防止保護套在流體作用下發(fā)生斷裂，可采取保護管淺插方式或采用熱套式熱電偶，淺插式的熱電偶保護套管，其插入主蒸汽管道的深度應(yīng)不小于75mm；熱套式熱電偶的標準插入深度為100mm；（3）假如需要測量是煙道內(nèi)煙氣的溫度，盡管煙道直徑為4m，熱電偶或熱電阻插入深度1 m即可；（4）當測量原件插入深度超過1m時，應(yīng)盡可能垂直安裝，或加裝支撐架和保護套管。2.11正確使用正確使用熱電偶不但可以準確得到

21、溫度的數(shù)值，保證產(chǎn)品合格，圖2.11.1熱電偶（圖8）而且還可節(jié)省熱電偶的材料消耗，既節(jié)省資金又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。安裝不正確，熱導率和時間滯后等誤差，它們是熱電偶在使用中的主要誤差。1、安裝不當引入的誤差如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實溫度等，換句話說，熱電偶不應(yīng)裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應(yīng)為保護管直徑的810倍；熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)致使爐內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護管和爐壁孔之間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕熱物質(zhì)堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的準確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100；熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開強磁場和強電場，所以不應(yīng)把

22、熱電偶和動力電纜線裝在同一根導管內(nèi)以免引入干擾造成誤差；熱電偶不能安裝在被測介質(zhì)很少流動的區(qū)域內(nèi)，當用熱電偶測量管內(nèi)氣體溫度時，必須使熱電偶逆著流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。2、絕緣變差而引入的誤差如熱電偶絕緣了，保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴重，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達上百度。3、熱惰性引入的誤差由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化，圖2.11.2熱電偶（圖9）在進行快速測量時這種影響尤為突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環(huán)境許可時，甚至可將保護管取去。由于存在

23、測量滯后，用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯后越大，熱電偶波動的振幅就越小，與實際爐溫的差別也就越大。當用時間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時，儀表顯示的溫度雖然波動很小，但實際爐溫的波動可能很大。為了準確的測量溫度，應(yīng)當選擇時間常數(shù)小的熱電偶。時間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時間常數(shù)，除增加傳熱系數(shù)以外，最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導熱性能好的材料，管壁薄、內(nèi)徑小的保護套管。在較精密的溫度測量中，使用無保護套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應(yīng)及時校正及更換。4、熱阻誤差高溫時，如保護管上有一層煤灰，塵埃附在

24、上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導，這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應(yīng)保持熱電偶保護管外部的清潔，以減小誤差。2.12故障處理熱電偶輸入產(chǎn)生故障判別法：按照儀表接線圖進行正確接線通電后，儀表先是顯示儀表的熱電偶分度號，圖2.12.1熱電偶（圖10）接著顯示儀表量程范圍，再測儀表下排的數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度，儀表上排數(shù)碼管顯示測量溫度。若儀表上排數(shù)碼管顯示不是發(fā)熱體的溫度，而顯示“OVER”、“0000”或“000”等狀況，說明儀表輸入部位產(chǎn)生故障，應(yīng)作如下試驗：1）把熱電偶從儀表熱電偶輸入端拆下，再用任何一根導線把儀表熱電偶輸入端短路。通電時，儀表上排數(shù)碼管顯示值約為室溫時，說明熱電偶內(nèi)部連線開

25、路，應(yīng)更換同類型熱電偶。若還是以上所說的狀況，說明儀表在運輸過程中，儀表的輸入端被損壞，要調(diào)換儀表。2）把上述故障儀表的熱電偶拆去，換用旁邊運行正常的同種分度號儀表上接入的熱電偶，通電后，原故障儀表上排數(shù)碼管顯示發(fā)熱體溫度時，說明熱電偶連線開路，更換同類型熱電偶。3）把有故障的熱電偶從儀表上拆下來，用萬用表放在測量歐姆（R）*1檔，圖2.12.2熱電偶（圖11）用萬用表兩表棒去測熱電偶兩端，若萬用表上顯示的電阻值很大，說明熱電偶內(nèi)部連接開路，更換同類型熱電偶。否則有一定阻值，說明儀表輸入端有問題，應(yīng)更換儀表。4）按照儀表接線圖接線正確，若儀表通電后，儀表上排數(shù)碼管顯示有負值等現(xiàn)象，說明接入儀表

26、的熱電偶“+”與“”接錯而造成的。只要重新調(diào)換一下即可。5）接線正確儀表在運行時，儀表上排數(shù)碼管顯示的溫度與實際測量的溫度相差40度70度。甚至相差更大，說明儀表的分度號與熱電偶的分度號搞錯。按熱電偶分度號B、S、K、E等熱電偶的溫度與毫伏（MV）值的對應(yīng)關(guān)系來看，同樣溫度的情況下，產(chǎn)生的毫伏值（MV）B分度號最小，S分度號次小，K分度號較大，E分度號最大，按照此原理來判別。故障現(xiàn)象可能原因處理方法熱電勢比實際值小（顯示儀表指示值偏低）熱電極短路找出短路原因，如因潮濕所致，則需進行干燥；如因絕緣子損壞所致，則需更換絕緣子熱電偶的接線柱處積灰，造成短路清掃積灰補償導線線間短路找出短路點，加強絕緣

27、或更換補償導線熱電偶熱電極變質(zhì)在長度允許的發(fā)問下，剪去變質(zhì)段重新焊接，或更換新熱電偶補償導線與熱電偶極性接反重新接正確補償導線與熱電偶不配套更換相配套的補償導線熱電偶安裝位置不錄或插入深度不符合要求重新按規(guī)定安裝熱電偶冷端溫度補償不符合要求調(diào)整冷端補償器熱電偶與顯示儀表不配套更抽熱電偶或顯示儀表使之相配套熱電勢比實際值大（顯示儀表指示值偏高）熱電偶與顯示儀表不配套更抽熱電偶或顯示儀表使之相配套補償導線與熱電偶不配套更換補償導線使之相配套有直流干擾信號進入排除直流干擾熱電勢輸出不穩(wěn)定熱電偶接線柱與熱電極接觸不良將接線柱螺絲擰緊熱電偶測量線路絕緣破損，引起斷續(xù)短路或接地找出故障點，修復絕緣熱電偶安

28、裝不牢或外部震動緊固熱電偶，消除震動或采取減震措施熱電極將斷未斷修復或更換熱電偶外界干擾（交流漏電，電磁場感應(yīng)等）查出干擾源，采用屏蔽措施熱電偶熱電勢誤差大熱電極變質(zhì)更換熱電極熱電偶安裝位置不當改變安裝位置保護管表面積灰清除積灰表2.12.3熱電偶常見故障原因及處理方法 2.13溫度補償由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），圖2.13.1熱電偶（圖12）而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子

29、上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t00時對測溫的影響。在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度差不能超過100。2.14主要優(yōu)點1、測量精度高。因直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。2、測量范圍廣。常用的熱電偶從零下50度1600度均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269度（如金鐵鎳鉻），最高可達2800度（如鎢、錸）。3、構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。2.15選擇方法熱電偶是兩種不同的導體連接

30、在一起形成的，圖2.15.1熱電偶（圖13）當測量及參考連接點分別處于不同溫度上時即產(chǎn)生出所謂的熱電磁力（EMF）。連接點用途測量連接點是處于被測溫度上的熱電偶連接點部分。參考連接點則是保持在一已知溫度上，或溫度變化能自動補償?shù)臒犭娕歼B接點部分。在常規(guī)工業(yè)應(yīng)用中，熱電偶元件一般端接在接頭上；但參考連接點卻很少位于接頭上，而是利用適當?shù)臒犭娕佳由炀€來轉(zhuǎn)接到溫度比較穩(wěn)定的被控環(huán)境中。連接點類型接殼式熱電偶連接點與探針壁物理連接（焊接），這能實現(xiàn)很好的熱傳輸即從外部通過探針壁將熱量傳至熱電偶連接點。建議用接殼式熱電偶來測量靜態(tài)或流動腐蝕性氣體與液體的溫度，以及一些高壓應(yīng)用。在絕緣式熱電偶中，熱電偶連

31、接點與探針壁分開并由一種軟性粉末包圍。雖然絕緣式熱電偶的響應(yīng)速度比接殼式熱電偶的響應(yīng)速度要慢，但它能提供電絕緣。建議使用絕緣式熱電偶來測量腐蝕性環(huán)境，可理想地通過護套屏蔽來將熱電偶與周圍環(huán)境完全電絕緣。露端式熱電偶允許連接點頂端深入到周圍環(huán)境中，這種類型可提供最佳的響應(yīng)時間，但僅限于在非腐蝕、非危險及非加壓應(yīng)用中使用。響應(yīng)時間以時間常數(shù)來表示，時間常數(shù)定義為傳感器在被控環(huán)境中在初始值和最終值之間改變63.2%所需的時間。露端式熱電偶具有最快的響應(yīng)速度，而且探針護套直徑越小，則響應(yīng)速度就越快，但其最大允許測量溫度也就越低。延伸線熱電偶延伸線是一對具有與其相連熱電偶相同溫度電磁頻率特征的線。當連接

32、合適時，延伸線將參考連接點從熱電偶轉(zhuǎn)接至線的另一端，而這一端通常位于被控環(huán)境中。選擇熱電偶選擇熱電偶時需考慮下列因素：1、被測溫度范圍；2、所需響應(yīng)時間；3、連接點類型；4、熱電偶或護套材料的抗化學腐蝕能力；5、抗磨損或抗振動能力；6、安裝及限制要求等。 3.熱電偶冷端補償方法當熱電偶材料選定以后，熱電動勢只與熱端和冷端溫度有關(guān)。因此只有當冷端溫度恒定時，熱電偶的熱電勢和熱端溫度才有單值的函數(shù)關(guān)系。熱電偶的分度表是以冷端溫度0作為基準進行分度的，而在實際使用過程中，冷端溫度往往不為0，所以必須對冷端溫度進行處理，消除冷端溫度的影響。 那么熱端溫度為t時，分度表所對應(yīng)的熱電勢eAB(t, 0)與

33、熱電偶實際產(chǎn)生的熱電勢eAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) 由此可見，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。 3.1熱電偶補償導線 在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短， 一般為3502000mm，需要用導線將熱電偶的冷端延伸出來。 工程中采用一種補償導線，它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價金屬導線制成，而且在0100溫度范圍內(nèi)，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。 為保證準確

34、無誤地起到遷移冷端的作用，使用補償導線時應(yīng)注意以下幾點：（1）不同的熱電偶配不同的補償導線，使用時熱電偶和補償導線一定要配套。（2）注意補償導線的使用溫度范圍，如果要求較高的測量溫度，藥保證補償導線和熱電偶連接處溫度在100以下。（3）補償導線有正、負極之分，使用時注意極性不能接錯。（4）補償導線只是將冷端遷移，并不能固定冷端，因此，如果新冷端溫度有波動，仍要采用其他冷端補償方法恒定冷端溫度。（5）由于補償導線的熱電特性與相應(yīng)熱電偶的熱電特性不完全相同，因此，使用補償導線遷移冷端會引入一定的測量誤差。（6）保證補償導線與熱電極連接處的兩個接點溫度相等。3.2冷端溫度修正法采用補償導線可使熱電偶

35、的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方，但只要冷端溫度t0不等于0，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度為t時，分度表所對應(yīng)的熱電勢eAB(t,0)與熱電偶實際產(chǎn)生的熱電勢eAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) 由此可見，測量電勢值eAB(t, t0)的修正值為eAB(t0, 0)。eAB(t0，0)是參考端溫度t0的函數(shù)，經(jīng)修正后的熱電勢為eAB（t，0）， 可由分度表中查出被測實際溫度值t。 例如，用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測得熱電勢eAB（t，t0）為33.

36、29mV, 求加熱爐溫度。 解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 由式（15-13）可得 eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV，由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.5。 3.3冷端0恒溫法 在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0，這種方法又稱冰浴法。這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。 圖3.313.4冷端溫度自動補償法（補償電橋法）： 補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab作為補償信號，來自動補償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為0

37、或變化而引起熱電勢的變化值。 補償電橋由三個電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻r1、r2、r3及電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻rcu和穩(wěn)壓電源組成。補償電橋與熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度，當冷端溫度變化引起的熱電勢eAB(t,t0)變化時，由于rcu的阻值隨冷端溫度變化而變化，適當選擇橋臂電阻和橋路電流，就可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab補償由于冷端溫度t0變化引起的熱電勢變化量，從而達到自動補償?shù)哪康摹２捎醚a償電橋法是必須注意下列幾點： （1）補償器接入測量系統(tǒng)時正負極性不可接反。 （2）顯示儀表機械零位應(yīng)調(diào)整到冷端溫度補償器設(shè)計時平衡溫度，如補償器是按t0=20時電橋平衡設(shè)計，則儀表機械零

38、位應(yīng)調(diào)整到20處。 （3）因熱電偶熱電勢和補償電橋輸出電壓兩者隨溫度變化特性不完全一致，故冷端補償器補償溫度范圍內(nèi)不到完全補償，但誤差很小，能滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。3.4.1 熱電偶原理現(xiàn)就使用熱電偶測溫儀表需要應(yīng)用的基本定律中第三條“中間溫度定律”的闡述如下: 圖3 中,熱電偶AB 在接點溫度T、冷端溫度0 時的熱電勢EAB(T,0) ,等于熱電偶AB 在接點溫度為T、冷端溫度To 的熱電勢EAB(T,To) ,以及接點溫度為To 、冷端溫度0 時EAB(To,0) 的代數(shù)和。即EAB(T,0) = EAB(T,To) + EAB(To ,0) 。證明如下:式中:e 單位電荷;k 波樂茲曼常數(shù);

39、NA , NB 導體A 和B 的電子密度,它們均為溫度的函數(shù)。EAB 熱電偶閉合回路中總的熱電動勢。3.4.2 PN 結(jié)測溫原理半導體理論和實驗證明,在- 50 + 150 的范圍內(nèi),當發(fā)射結(jié)正偏時,不管集電結(jié)反偏還是零偏,在一定的集電極電流形式下,NPN 硅晶體管的基極-發(fā)射極正向電壓UBE 隨溫度T 的增加而減小。并有良好的線性關(guān)系,其電壓溫度系數(shù)約-2.1mv/ ,如圖4 所示。 因此,晶體管3DG6 不但可以作為通常的電子器件使用,而且也是一種價格低廉,取材方便,性能良好的溫度傳感器。于是,當前熱電偶冷端溫度值T0 ,便可按式3 由線性插值計算得出。式中:N 為測量輸出, T0 是晶體

40、管測出的當前熱電偶冷端溫度值,Nf 對應(yīng)本地水在沸點Tf 時的輸出電壓,Nb 則對應(yīng)本地水在冰點Tb 時的輸出電壓。測試結(jié)果測試熱電偶的型號為美國OMEGA 公司的SMT專用微型熱電偶(0.127mm) ,測試用溫度計為分辨率0.1 的水銀溫度計,簡化測試數(shù)據(jù)如下。 從上表可以看出, PN 結(jié)測溫的誤差通常小于0.2 ,可以滿足系統(tǒng)誤差0.5 的要求。結(jié)束語 雖然熱電阻在0 450 有更高的測溫精度,例如PT100 ,無須冷端補償,在不使用軟件校正措施的情況下,精度就可達到0.75 (300 時) ,但每一路熱電阻都必須配備恒流源的前提,卻限制了其在多路測溫場合中的應(yīng)用。熱電偶依靠測量端與冷端

41、溫差所引起的電動勢,來反映測量端相對于冷端的溫度。在SMT 測溫領(lǐng)域的多通道(有的超過12 通道) 應(yīng)用中,只要能夠提高冷端補償精度,其便捷的設(shè)計和使用方法就會顯示出不可替代的優(yōu)越性。3.5智能補償法 在智能化溫度測控系統(tǒng)中，通常用軟件方法對冷端溫度進行補償。智能溫度控制系統(tǒng)中，單片機或單板機是系統(tǒng)的核心，只要在該系統(tǒng)的控制軟件中加上冷端溫度補償算法，便可以將溫度的檢測精度大大提高，而且對不同的熱電偶只要改變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表即可，系統(tǒng)的適應(yīng)性大為增強。在該系統(tǒng)中，多路器由微機控制，可以分別接兩路通道，即分別測量熱電偶和集成溫度傳感器的輸出信號。信號調(diào)理模塊應(yīng)選用具有動態(tài)自動校零集成運算放大器（如IC

42、L7650），放大倍數(shù)的選擇應(yīng)針對不同的熱電偶取不同的值。所要注意的是為了消除輸入管腳和相鄰管腳之間不同電位所造成的漏電流，應(yīng)采用保護環(huán)進行電位跟蹤。如選用8腳的TO-8型圓形管殼封裝，2腳和3腳兩旁的空隙構(gòu)成環(huán)狀保護環(huán)，對輸入端進行保護；如選用雙列直插式封裝，只需將3腳和6腳短路，即構(gòu)成了保護環(huán)。 為了提高抗干擾能力，采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135，完成A/D轉(zhuǎn)換。量程根據(jù)精度需要選擇，可為0200mV，02000mV；轉(zhuǎn)換速度一般為6次/s或12次/s，以保證瞬時檢測值的準確性。鍵盤接口設(shè)計要與PC鍵盤兼容，這樣可直接利用市售的小鍵盤（PC鍵盤的數(shù)字部分）。設(shè)計中主要從硬件接口、軟

43、件接口兩方面使CLK、DATA信號符合103鍵PC標準鍵盤的時序要求。采用外中斷0的邊沿觸發(fā)中斷方式，檢測按鍵及按鍵的鍵值。接收到的半行數(shù)據(jù)中，D0D6七位為各鍵掃描碼，在鍵按下時發(fā)出的數(shù)據(jù)中，D7=1，D8為結(jié)束標志，D8=1時表示一組數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。對于熱電偶的非線性補償，雖然可以通過分段線性化補償，但運算比較復雜。3.6儀表機械零點調(diào)整法 具有零位調(diào)整顯示儀表而言，熱電偶冷端溫度t0較為恒定時，可采用測溫系統(tǒng)未工作前，預先將顯示儀表機械零點調(diào)整到t0上,這相當于把熱電勢修正值E(t0,0)預先加到了顯示儀表上,當此測量系統(tǒng)投入工作后,顯示儀表示值就是實際被測溫度值。舉例在SMT 行業(yè)中為滿

44、足自動化大批量生產(chǎn)的需要,絕大多數(shù)企業(yè)采用隧道式連續(xù)傳送結(jié)構(gòu)的回流焊爐。這種回流焊爐普遍至少具有3 個溫區(qū)。由于印制板上的溫度變化遠比儀表的顯示溫度復雜得多,因此對于回流焊爐操作者來說只憑經(jīng)驗,很難在短時間內(nèi)把這種回流焊爐的溫度和傳動速度調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。 因此,須將細絲狀K型熱電偶的探頭用焊料或高溫膠粘劑固定在印制板的監(jiān)測點上,溫度記錄器和印制板一起隨爐子的傳送網(wǎng)或傳送鏈從爐膛中穿過,與此同時,記錄器自動以預定時間間隔采樣熱電偶的溫度信號,并將隨時間變化的溫度數(shù)據(jù)保存在記錄器的非易失性存儲器中。在此過程中, 溫度記錄儀的外界溫度可能達到270 以上,其內(nèi)部溫度采取必要的隔熱技術(shù)后也在60 左右

45、。而熱電偶的理論冷端溫度為純水冰點溫度(0 ) ,故而必須對此給予補償。硬件系統(tǒng)方案現(xiàn)有產(chǎn)品多采用3 種方法測量冷端環(huán)境溫度。(1) 直接借用CPU 內(nèi)部溫度傳感器,如Cygnal 的CF020。然而,首先記錄儀內(nèi)部溫度場并不均勻,熱點偶補償線接入點的溫度與CPU 的表面溫度存在差值;其次,集成溫度傳感器的靈敏度一般為0.1 ,精度2 ,難以滿足測量要求。(2) 使用新型智能溫度傳感器,如美信DS1626,12bit 采樣精度,3 線串行數(shù)據(jù)通信, 0 to + 70 ，2.7VVDD3.0V 的條件下,靈敏度0.0625 ,最大誤差0.5 。但此方法同樣存在芯片外殼對環(huán)境溫度的滯后性影響問題。另外,儀器內(nèi)部的環(huán)境溫度最大變化率可能達到1 /S ,而芯片電氣特性要求采樣周期超過0.75S ,周期相對過長。(3) 高精度A/D 采樣芯片+遠端溫度傳感器。 經(jīng)過理論分析和實踐,我們采用了改進型的第3種方案。如圖1 所示,硬件系統(tǒng)主要由基準電壓源(ADR420) 、高精度采樣芯片(MAXIM1403) 、溫敏三極(3DG6) 和CPU(CF320) 組成。圖1 硬件系統(tǒng)原理圖 ADR420 提供2.048V 基準電壓,精度0.05 % ,溫漂3PPM/。MAX1403 是一種18 位、過采樣的AD 芯