智能检测系统 热电偶数字温度表.docx

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智能检测系统热电偶数字温度表

北京信息科技大学

自动化学院

实验报告

课程名称智能检测系统

实验名称热电偶数字温度表

实验仪器

专业自动化

班级/学号自控0902/20090108

学生姓名

实验日期

实验地点

成绩

指导教师

一、实验名称：

热电偶数字温度表

二、实验设备

热电偶、热电偶、PC机、剥线钳、面包板、镊子、导线、电源、万用表、外围电路所需元器件、电源。

三、实验原理

1、热电偶数字温度表原理框图：

2、

热电偶

1823年塞贝克（Seebeck）发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势。

这个物理现象称为热电效应。

如图2-1：

两种不同材料的导体A和B，两端联接在一起，一端温度为T0，另一端为T（设TT0），这时在这个回路中将产生一个与温度T，T0以及导体材料性质有关的电势EAB（T，T0），显然可以利用这个热电效应来测量温度。

在测量技术中，把由两种不同材料构成的上述热电交换元件称为热电偶，称A，B导体为热电极。

两个接点，一个为热端（T），又称工作端，另一个为冷端（T0），又称为自由端或参考端。

热电势EAB（T，T0）的产生，是由两种效应引起的：

（1）、珀尔帖（Peltier）效应：

将同温度的两种不同的金属相互接触，如图2-2所示。

由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触处会发生自由电子的扩散现象。

自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A使去电子带正电，B得到电子带负电，直至在接点处建立了强度充分的电场，能够阻止电子扩散达到平衡为止，两种不同金属的接点处产生的电动势称珀尔帖电势，又称接触电势。

此电势EAB（T）由两个金属的特性和接触点处的温度所决定。

根据电子理论：

或：

式中：

K：

波尔兹曼常数，其值为1.38×1023J/K；

T﹑T0:

接触处的绝对温度（Ｋ）；

ｅ：

电子电荷量，等于1.6×10-19C；

、

分别为电极A、B的自由电子密度。

由于

与

的方向相反，故回路的接触电势为：

（2）、汤姆逊（Thomson）效应：

假设在一匀质棒状导体的一端加热如图2-3所示,则沿此棒状导体有温度梯度。

导体内自由电子将从温度高的一端向温度低的一端扩散，并在温度较低的一端积聚起来，使棒内建立起一电场，当这电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用即停止，电场产生的电势称为汤姆逊电势或温差电势。

当匀质导体两端的温度分别是T、T0时，温差电势为：

或：

式中

称为汤姆逊系数，它表示温差为一度时所产生的电势值。

的大小与材料性质和导体两端的平均温度有关。

是金属本身所具有的热电能。

它是以铂等标准电极为基准进行测量的相对值。

例如：

铜和康铜的热电能在0100℃温度范围内的平均值分别为7.6μV/℃和-3.5μV/℃。

图2-4总热电势

通常规定：

当电流方向与导体温度降低的方向一致时，则为正值，当电流方向与导体温度升高方向一致时，则取负值。

对于导体A、B组成的热电偶回路，当接触点温度T﹥T0时，回路的温差电势等于导体温差电势的代数和，即：

上式表明，热电偶回路的温差电势只与热电极材料A、B和两接点的温度T﹑T0有关，而与热电极的几何尺寸和沿热电极的温度分布无关。

如果两接点温度相同，则温差电势为零。

综上所述，热电极A、B组成的热电偶回路，当接点温度T﹥T0时，其总热电势为（如图2-4）

式中：

EAB（T）：

热端的分热电势；EAB（T0）：

冷端的分热电势。

从上面的讨论可知：

当两接点的温度相同时，则无汤姆逊电势，即：

；而珀尔帖电势大小相等方向相反，所以

。

当两种相同金属组成热电偶时，两接点温度虽不同，但二个汤姆逊电势大小相等、方向相反，而两接点处的珀尔帖电势皆为零，所以回路总电势仍为零。

因此：

（1）如果热电偶二个电极的材料相同，二个接点温度虽不同，不会产生电势；

（2）如果二个电极的材料不同，但两接点温度相同，也不会产生电势；

（3）当热电偶二个电极的材料不同，且A、B固定后，热电势

便为二接点温度T和T0的函数，即

当T0保持不变，即E（T0）为常数时，则热电势

便为热电偶热端温度T的函数：

由此可知，

和T有单值对应关系，这是热电偶测温的基本公式。

热电偶的分度表就是根据这个原理在热电偶冷端温度等于0℃的条件下测得的。

热电极的极性：

测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极。

在热电势符号

，规定写在前面的A、T分别为正极和高温，写在后面的B、To分别为负极和低温。

如果它们的前后位置互换，则热电势极性相反，如

，

等。

判断热电势极性最可靠的方法是将热端稍加热，在冷端用直流电表辨别。

3、放大器

热电偶输出的热电势信号，其大小只有毫伏级，不能做为后续电路的输入信号，必须进入前置放大器进行信号放大。

因此选用ICL7650作为放大器，它具有极低的输入失调电压（典型值为1uV），失调电压的温漂和时漂也极低，分别为0.01V/C和3.33nV/d。

也可选用OP-07超低失调运算放大器作为前置放大器，但是失调电压比ICL7650要大，因此，本方案采用ICL7650作为放大器。

ICL7650的使用方法比较简单，它和其他的运算放大器的使用方法类似，为了更好得起到放大的作用，需要对该芯片有一个电容补偿元件，电容的型号为104即可，ICL7650的芯片资料如下面所示：

Cextb：

外接电容1

Cexta：

外接电容2

-Input：

反向输入端

+Input：

同向输入端

V-：

负电源端

Cretn：

外接电容的公共端

Output：

输出端

V+：

正电源端

Int/clk：

时钟输出端

Ext/clk：

时钟输入

图4-1ICL7650

为了更好的抑制共模输入，在运放的输入方式上选择同向输入，放大倍数是这样考虑的，K型热电偶的测温范围定在0到1299℃，E型热电偶的测温范围定在0到799℃，然后将微弱的毫伏电压放大到0到1伏的范围，用于后面的A/D转换环节。

那么运放的放大倍数如下：

A=1+R2/R1

选用镍铬—镍硅（分度号为K）的热电偶，要求测量范围为0～1299℃，满度1299℃时的热电势值为51.612mV，前置放大器的放大倍数A应为

A1=A-1=1000/51.612-1=18.4

若选用镍铬—铜镍（分度号为E）的热电偶，要求测量范围为0～799℃，满度799℃时的热电势值为59.825mV，放大器的放大倍数A1应为

A1=A-1=1000/59.825-1=15.7

本数字仪表选用两种型号的热电偶测温，则可通过切换开关改变放大器的放大倍数，使之满度时的放大器输出为1V。

4、A/D转换器

考虑到本设计属于是一定范围内的温度测量系统，温度变化过程比较平稳，不需要高速的A/D变换器，所以采用3.5位的双积分型的A/D转换器MC14433。

MC14433是美国Motorola公司推出的单片3.5位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。

具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容元件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：

（1）精度：

读数的±0.05%±1字

（2）模拟电压输入量程：

1.999V和199.9mV两档

（3）转换速率：

2-25次/S

（4）输入阻抗：

大于1000MΩ

（5）电源电压：

±4.8V～±8V

（6）功耗：

8mW（±5V电源电压时，典型值）

（7）采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。

（8）MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。

图4-2MC14433

Pin1（VAG）—模拟地，为高阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。

Pin2（VR）—基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。

MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。

此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲（VR），就能够复为至转换周期的起始点。

Pin3（Vx）—被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系：

输出读数＝Vx/VR*1999因此，满量程的Vx=VR。

当满量程选为1.999V。

VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，在实际的应用电路中，根据需要，VR值可在200mV—2.000V之间选取。

Pin4-Pin6（R1/C1，C1）—外接积分元件端,次三个引脚外接积分电阻和电容，积分

电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66kHz，在

2.000V满量程时，电阻R1约为470kΩ，而满量程为200mV时，R1取27kΩ。

Pin7-Pin8（C01C02）—外接失调补偿电容端，电容一般也选0.1uF聚脂薄模电容。

Pin9（DU）—更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。

如果在积分器反向积分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。

否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。

这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将DU端与EOC引脚直接短接即可。

Pin10、Pin11（CLK1、CLK0）—时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz时，外接电阻取300kΩ即可。

Pin12（Vee）—负电源端Vee，是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。

Pin13（Vss）—数字电路的负电源引脚。

Vss工作电压范围为VDD-5V≥Vss≥VEE。

除CLK0外，所有输出端均以Vss为低电平基准。

Pin14（EOC）—转换周期结束标志位。

每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。

Pin15（OR）—过量程标志位，当|Vx|>VREF时，OR输出为低电平。

Pin16、17、18、19（DS4、DS3、DS2、DS1）—多路选通脉冲输出端。

DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。

当某一位信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。

Pin20、21、22、23（Q0、Q1、Q2、Q3）—BCD码数据输出端。

该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。

同时在DS1期间输出的千位BCD码，还包含过量程、欠量程和极性标志信息。

Pin24（VDD）—正电源电压端。

MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。

至此，已经将温度信号放大并转换成数字信号。

5、锁存器

MC14433A/D转换结果采用BCD码动态扫描输出，因此每位数字要增加一个四位的锁存器74LS373，把经过多路组合的数据分离出来，并寄存在相应的锁存器内，由MC14433的多路调制选通脉冲DS4，DS3，DS2控制Q0，Q1，Q2，Q3BCD码三位数据的输出，经个位，十位和百位