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热电偶自动检定系统
热电偶自动检定系统
毕业设计论文
题目：
热电偶自动检定系统
热电偶自动检定系统
摘要
温度在各种工业生产和科学研究中的应用非常普遍，是一个非常重要的工业参数。
在生产过程中能否对温度进行准确地测量直接影响工业产品的质量和生产的效率。
作为测温元件，热电偶被广泛应用于冶金、化工、电力、石油等工业生产部门。
由于热电偶一般用于测量高温，工作环境的影响和长期地工作都将使其产生示值的漂移。
为保证热电偶测量值的准确，以提高产品质量和生产效率，因此要对热电偶进行定时的校验和检定。
热电偶可直接将温度转换成电信号,所以很容易进行测量、放大,这既有利于远距离传送,集中管理,也适合自动控制和微机监控。
故热电偶自动检定系统将热电偶的热电特性同计算机控制联系起来,实现了热电偶检定的自动化。
本设计采用单片机作为系统的智能核心，被测热电偶与标准热电偶捆绑后放入检定炉中，其输出引线通过补偿导线引入冰瓶中，进行冷端温度补偿；被测热电偶与标准热电偶各个检温点的热电势信号由低电势数据采集电路取得，并在采集电路中对其进行放大、A/D转换处理后，变成单片机能识别的数字量送入单片机处理；单片机通过执行程序，计算出被测偶与标偶的热电势的最大偏差，然后与允许的最大偏差相比较，判断出被测热电偶是否合格，完成对热电偶的自动检定。
关键词：
温度；热电偶；自动检定；数据采集；数据处理
Thermo-elementautomaticexaminationsystem
Abstract
Temperatureinavarietyofindustrialproductionandtheapplicationofscientificresearchisverycommon,isaveryimportantindustrialparameters.Intheproductionprocessisabletomakeaccuratetemperaturemeasurementdirectlyaffectthequalityofindustrialproductsandproductionefficiency.Asdetectors.Thisthermocouplehasbeenwidelyusedinmetallurgical,chemical,power,oilandotherindustrialsectors.Asgeneralthermocouplesformeasuringtheheat,theworkingenvironmentandthelong-termimpactoftheworkwillproducethedriftindication.Toensurethatthethermocouplemeasurementsareaccurate,andimproveproductqualityandproductionefficiency.thusthereisaneedtoconductregularthermocouplecalibrationandtesting.
Thermocoupletemperaturecanbedirectlyconvertedintoelectricalsignals,soitiseasytomeasure,zooming,whichisconducivetolong-distancetransmission,centralizedmanagement,isalsosuitableforcomputercontrolandmonitoring.Thereforethermocoupleautomaticverificationsystemwillthermocouplethermoelectricpropertiesassociatedwithcomputercontrol,Implementationofthethermocoupletestautomation.
Thedesignusedasamicrocontrollercoreoftheintelligent,measuredthermocouplebundledwiththestandardthermocoupleafterAddtestfurnace,LeadoutputthroughtheintroductionofcompensationTraverseicebottle,cold-temperaturecompensation;thermocouplemeasuredwithstandardthermocoupletemperatureseizedvariouspointsofthermoelectricpowersignalfromlowvoltagedataacquisitioncircuitacquisition,AcquisitionCircuitanditsamplificationandA/Dconversionprocessing,SCMcanidentifyintothedigitalintothemicroprocessor;SCMthroughtheimplementationofprocedures,calculatedmeasuredwithdualstandardofthermoelectricpowerofthemaximumdeviation,andthenallowthedeviationcompareddeterminewhetherthemeasuredthermocouplequalifiedonthecompletionofthethermocoupleautomaticverification.
Keywords:
Temperature;Thermo-element;Automaticexamination;Dataacquisition;Dataprocessing
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1课题研究的意义1
1.1.1课题的研究背景1
1.1.2热电偶自动检定系统的功能1
1.1.3热电偶自动检定系统的发展方向2
1.2热电偶自动检定系统简介3
1.2.1热电偶检定及检定方法3
1.2.2热电偶自动检定系统的结构3
1.2.3热电偶自动检定系统的工作原理5
1.3本课题的研究内容7
第二章热电偶测温计及测量对象温度简介8
2.1温度对象基本概念8
2.2热电偶温度计及其测温原理9
2.2.1热电偶测温的基本原理10
2.2.2热电偶的基本定律12
2.2.3标准化热电偶13
2.2.4热电偶的结构形式15
第三章系统硬件电路设计16
3.1冷端温度补偿16
3.1.1冷端温度补偿方法16
3.1.2补偿方法选择18
3.2信号放大电路设计18
3.2.1信号放大电路功能18
3.2.2信号放大电路的选择要求18
3.2.3信号放大电路的类型18
3.2.4信号放大器放大倍数的设定20
3.3A/D转换系统设计21
3.3.1TLC0832功能及特性简介21
3.3.2TLC0832的连接电路22
3.4显示接口电路设计23
3.4.1LED数码管简介23
3.4.2LED数码管驱动电路24
3.5控制键盘的设计25
3.5.1键盘接口技术简介25
3.5.2键盘电路形式27
3.5.3键盘按键编码27
3.5.4键盘监控方式28
3.5.5系统功能键盘设计28
第四章热电偶检定系统程序设计29
4.1A/D转换子程序29
4.1.1A/D转换子程序设计方案29
4.1.2A/D转换子程序功能实现30
4.2线性化及标度变换子程序30
4.2.1数据线性化处理概述30
4.2.2线性化处理方法31
4.2.3线性化处理及标度变换子程序设计方案33
4.3处理子程序33
4.4显示子程序（显示小数点后2位）35
4.4.1显示子程序设计方案35
4.4.2显示子程序功能36
4.5主程序设计36
4.5.1主程序的功能36
4.5.2主程序设计方案37
第五章系统调试实验38
5.1试验目的38
5.2试验设备38
5.3试验数据及数据处理38
5.4结论38
参考文献39
附录A：
热电偶自动检定系统硬件电路图40
附录B：
主程序流程图41
附录C：
处理子程序流程图42
附录D：
A/D转换子程序流程图43
附录E：
线性化及标度变换子程序流程图44
附录F:
显示子程序流程图45
附录G：
键盘子程序流程图46
附录H：
热电偶自动检定系统程序设计47
致谢58
第一章绪论
一.1课题研究的意义
一.1.1课题的研究背景
随着时代的发展，热电偶在工业生产中应用越来越广泛，而其测量结果是否准确[1]也成为我们十分关注的问题，所以对热电偶进行定期地检定便非常重要。
在传统的热电偶校验及检定方式中，都没有专用的设备，而是通过人工操作许多的检定仪器，来实现对热电偶的检定。
这就导致了许多检定仪器的利用率很低，而且接线非常繁杂。
如：
检定炉温度控制系统多采用模拟PID控制算法，需要人工调整并依据经验做出判断，这对操作人员的能力要求非常高。
同时，检定过程中数据的记录也是采用手工方式，由于检定耗时较长，在记录过程中温度往往已经偏离了检定点，并且对检定结果的处理运算量非常巨大。
这些因素造成的测量误差已经直接影响到温度量值传递的准确性。
由于传统的热电偶检定方式效率的低下而且精确度低，已无法满足现代化企业对温度计量上的需要，由此便给我们提出了新的研究课题：
要求我们设计一套只需工作人员作简单设定和接线后，便不再需要人参与，而由系统自动完成对热电偶检定工作的检定系统。
一.1.2热电偶自动检定系统的功能
热电偶自动检定系统是一种集计算机或单片机技术、电子测量技术、自动控制技术于一体的自动化检定系统，该系统以单片机或微型计算机为主体，由低热电势多路数据采集装置，高稳定控温系统，显示单元和主控制软件构成，主要用于自动检定各种工作热电偶。
整个检定过程除需要检定员将热电偶、热电阻捆扎、接线外，其余均在计算机控制下由系统自动完成。
因此，可以实现对热电偶的快速检测，避免人为误差，提高了测量校验的准确度，并减轻了检定人员的劳动强度。
故该系统可广泛用于计量、军士、电力、石油、冶金、化工等部门。
一.1.3热电偶自动检定系统的发展方向
自热电偶自动检定的课题提出以来，经过10多年的研究，热电偶自动检定技术已取得了长足的发展，某些国家已达到了很先进的水平。
由于我国仪表技术起步比较晚，直到近几年来，在国家大力扶持下，我国的一些技术先进的仪器仪表厂家逐渐兴起，国内对热电偶自动检定技术的研究也进入了百家争鸣的时代，所研制的检定设备也层出不穷，花样不断翻新。
就调研和查阅资料所得的信息来看，热电偶自动检定系统的研究将主要向两个方向发展:
⑴微处理器型
这种类型的检定设备是以各种各样的微处理器为智能核心（如80C51单片机）,自组专用CPU系统，将检测、控制和数据处理等各项功能设计在一块线路板上或一个机箱内。
其特点是体积小，成本低，自动化仪表程度高。
其缺点是开发阶段投资多，工作量大，线路复杂，专业性强，技术难度高，而且在显示及打印输出方面功能有限，故不易推广使用。
⑵通用微型计算机型
这种类型的热电偶检定设备是直接利用目前迅速发展的微机控制技术进行开发。
它通过专门设计的一个通信检测接口，利用计算机强大的智能控制和数据处理功能，结合可视化操作界面和高级程序设计语言，配合键盘、鼠标和打印机输入输出功能，实现对热电偶的自动检定。
这种类型的检定系统的特点是开发环境优越，技术难度和工作量小，检定精度高，人机交互界面友好，功能齐全完善，故易于推广使用。
其缺点是成本高，体积大，检定系统会占用一定的微机资源。
一.2热电偶自动检定系统简介
一.2.1热电偶检定及检定方法
所谓“检定”，是指为评定热电偶的热电特性是否合格而进行的全部工作。
其中包括外观检查和在规定的温度点检查其热电动势的量值大小和稳定程度是否符合标准规范。
热电偶的检定步骤和检定周期按国家计量部门制订的“检定规程”进行。
热电偶的检定工作由分度前准备、分度和数据处理三部分组成（对于工业用热电偶的分度，人们也常称为检定和校验）。
对热电偶进行检定，可采用以下三种方法。
①双极比较法：
将同分度号同种规格的正、负极偶丝焊接成热电偶，直接测量标准器与被检热电[2]偶的热电势。
测量过程：
将捆绑后的热电偶束插入炉膛内，并把热电偶的冷端引入零度恒温器内。
先使炉温恒定在检定点温度附近，然后开始依次读取标准偶与被测热电偶的热电势。
每只热电偶数据读取2~3次。
②同名极比较法：
将同型号的标准热电偶与被检热电偶工作端捆在一起，在固定点上进行电极热电势的比较。
测量过程与上述方法相同。
③微差法：
将同型号的标准与被检热电偶反向串联，直接测量其热电势差值。
一.2.2热电偶自动检定系统的结构
经调查考证：
目前所研制出的热电偶自动检定设备主要分为2大类：
①微处理器型。
这种类型的检定设备，以各种各样的单片机等微处理器为智能核心，组织外围电路，将检测、控制和数据处理等各项功能集成在了一块线路板上。
这种类型的设备其系统原理构成如图1.1所示
图1.1热电偶自动检定系统原理图
微处理器型热电偶自动检定系统主要包括：
80C51单片机、冰点瓶、放大电路、A/D转换芯片TLC0832、LED数码管等设备。
它的优点是体积小，成本低，自动化仪表程度高。
但因其开发阶段投资多，工作量大，线路复杂，专业性强，技术难度高，而且在显示及打印输出方面功能有限，故不易推广使用。
②通用微型计算机型。
这种类型的热电偶检定设备，是直接利用目前迅速发展的微机控制技术进行开发的。
通过专门设计的一个通信检测接口，将热电势多路数据采集装置与计算机相连，利用计算机强大的数据处理和控制功能，结合可视化操作界面，配合键盘、鼠标和打印机输入输出功能，实现对热电偶的自动检定。
这种类型的设备其系统构成如图1.2所示
图1.2热电偶自动检定系统原理图
微型计算机型热电偶自动检定系统是以计算机为核心,包括了冰点瓶,防大电路,TLC0832，打印机以及检定炉控温系统等。
它的优点是开发环境优越，采用高级语言进行编程，技术难度和工作量小，检定精度高，人机交互界面友好，功能齐全完善，故易于推广使用。
本次设计中，考虑到微型计算机型热电偶自动检定系统的诸多优点，原设计思路是采用微型计算机型的设计方案，但介于条件的限制，缺少检测通信接口，而改选微处理器型的设计方案。
一.2.3热电偶自动检定系统的工作原理
㈠检定方法
本设计的检定系统采用同名级比较法对热电偶进行检定，将标偶与被测热电偶的[2]工作端捆绑后放入管式电阻炉中，通过高稳定控温系统的控制，使电阻炉温度稳定在符合要求的检温点附近，然后分别对标准热电偶与被测热电偶进行采样，并将采集到的数据送入单片机中进行处理、存储。
㈡控温过程
在对热电偶进行检定时，根据国家计量部门制订的“检定规程”规定，要求检定炉炉温达到所需的检定温度点士10
范围内，且炉温变化每分钟不超过0.2
时，方可进行数聚采集。
所以要对检定炉炉温进行控制。
首先根据检定需要设置好各个检温点,并由单片机通过串口1（串行通信端口）将其送给控温系统中的单片机,控温系统根据测温热电偶的测量值与设定值（即检温点）的偏差大小进行一系列的PI,PID运算，输出结果控制可控硅调压器，调节电阻炉的输入电压，对电阻炉的温度进行调节直至其稳定在规定的检温点温度允许误差范围内。
㈢数据采集
系统设计如图2.1所示，将标准热电偶与被测热电偶捆扎后放入检定炉中，标准热电偶和被测热电偶偶的引线与补偿导线相连，接点置于冰瓶，保持热电偶冷端温度为0
。
测量得到的热电势信号经补偿导线送入放大电路，放大至0~5V的标准电信号后，再由TLC0832的两个输入端送入到TLC0832，然后在A/D转换器中完成A/D转换，然后将转换完成的数字信号送入单片机进行处理。
㈣数据处理
单片机通过控制TLC0832的启动,控制数据采集,当检定炉温度稳定在规程规定范围内时（延时到检定炉温度稳定需要的时间时），单片机给TLC0832送启动信号，TLC0832取得启动信号，采入相应的输入端口的数据，进行A/D转换，完成采集数据，然后送入单片机中进行处理。
单片机取得采集到的数据后，对数据进行变换处理，得出标偶与被测偶的电压输出值并将其存储在一定的存储单元，当前检温点测量结束后，计算求出被测偶与标偶输出电压的最大偏差值，并与允许的极限偏差比较，判定出被测热电偶是否合格，并计算出被测热电偶的精确度。
如式（2.1），（2.2）所示。
（2.1）
（2.2）
然后用LED显示器将这些数据显示出来，就完成了对热电偶的检定。
一.3本课题的研究内容
㈠数据采集部分
数据的采集是由硬件电路实现的。
通过信号放大电路将热电偶的热电势放大到0~5V的标准信号，再由TLC0832将模拟量转换成单片机能识别的数字量后在单片机中进行处理。
这部分工作主要是搭建硬件电路。
㈡数据处理部分
数据处理主要是在单片机或微型计算机里对采集的数据进行换算，转换为测量的电压值。
这部分主要工作是编写程序。
㈢加热炉控温系统
由于热电偶自动检定系统要对设定的多个检温点分别进行测量检定。
而且要求加热炉炉温必须达到规定的检定温度点士10
范围内，且要求炉温变化每分钟不超过0.2
。
这些功能由加热炉控温系统实现。
第二章热电偶测温计及测量对象温度简介
二.1温度对象基本概念
二.1.1温度、温标
温度是国际单位制（SI）中七个基本物理量之一，在物理学单位中占有重要的地[3]位。
由于许多物质的特征参数与温度有密切关系，因而温度计量在工业生产和科研活动中的地位举足轻重。
尤其是生产企业，要想在激烈的市场竞争中立足，产品的质量和成本是两个决定性的因素，要做到高质量低成本，就必须在节能降耗上下功夫。
因此，温度传感器、温度变送器在企业生产中的各个环节得到了广泛的应用，而这些温度计量器具是否准确就成为使用者十分关注的问题。
因而导致了热电偶自动检定系统的研究的兴起！
！
温标是温度的数值表示方法。
各种温度计也必须先进行分度和标定才能使用。
由于温度量值比较特殊，只能借助某种物理量的变化来间接地表示。
温标就是利用一些物质的相平衡温度作为固定点刻在温度的“标尺”上，而固定点间的温度值利用一种称为“内插函数”的函数关系来描述。
而温度计、固定点、内插函数就是温标的三要素。
温标分为：
经验温标、热力学温标，国际温标。
①经验温标是借助某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验的方法建立的经验公式所确立的温标。
如1714年德国人法伦海脱制定的华氏温标和1740年瑞典人摄氏制定的摄氏温标都是经验温标。
经验温标的局限性和随意性的缺点使得它不能适用于任何场合，因而它不是科学的。
②热力学温标是物理学家开尔文提出的一种与工质无关的，纯理论的温标。
热力学温标确立的温度数值称热力学温度（单位K）。
但由于热力学温标的纯理论性，故无法直接实现。
③ITS-90国际温标1989年国际计量委员会批准的国际温度咨询委员会制定的新型温标。
是以定义固定点温度指定值以及这些固定点上分度过的标准仪器来实现热力学温标的。
各固定点间的温度是依据内插公式使标准仪器示值与国际温标的温度值相联系。
二.1.2测温方法及温度测量计
由于自然界许多的物质，其物理特性如长度，容积，电导率，热电势和辐射功率等都与温度有关，因而可以利用物质的这些物理特性制作出各种温度传感器，通过测量这些物质的某些物理参数的变化量间接的获得温度值。
⑴利用物质热膨胀与温度的关系
①固体膨胀，如双金属温度计；②液体膨胀，如玻璃水银温度计③气体膨胀，如压力表式温度计。
⑵利用金属或半导体电阻与温度的关系
铜、铂等金属导体或半导体，当温度变化时其阻值也相应的发生变化，利用这一关系可制成各种电阻温度计。
⑶利用热电效应
两种不同的金属导体在两个端点上相互接触，当其两接点温度不同时，回路内就会产生热电势。
热电偶温度计就是利用这一原理制成的。
⑷利用物质物体的辐射能与温度的关系
物体的辐射能与温度存在着一定的关系，利用这一物理性质制成了各种辐射温度计，如光电温度计等。
二.2热电偶温度计及其测温原理
热电偶温度计是一种将温度变化转换成电势变化的传感器，主要由热电偶、显示仪表和连接导线所组成。
它被广泛用来测量200~1300
范围内的温度。
热电偶具有性能稳定，结构简单，使用方便，经济耐用，体积小和容易维护等优点;通过热电偶能将温度信号转换成电信号，便于信号的远传和实现多点切换测量。
因此在工业生产和科学研究领域中都广泛使用热电偶来测量温度。
二.2.1热电偶测温的基本原理
热电偶测温的基本原理是基于金属导体的热电效应。
热电效应产生的电势是由两[4]种不同效应引起的，即拍尔帖（Peltier）效应和汤姆逊（Thomson）效应。
热电偶测温的原理如图2.1所示
图2.1热电偶测温原理图
㈠塞贝克效应
热电偶是由两种成分不同的导体（或半导体）连接在一起构成的感温元件。
在由两种导体A,B组成的闭合回路见图2.1中，如果两端结点的温度不同，在回路中就将产生一定大小的电流，这个电流的大小与导体材料的性质以及结点温度有关。
一般常把上述现象称为塞贝克（Seebeek）热电效应。
热电效应产生的电势
的方向和大小，取决于两个接点的温度和组成热电偶的材料。
当两接点的温度分别为T,T。
时，回路的热电势如式（2.1）所示
（2.1）
式中，
，
为两接点的分热电势;T,T。
为两接点所处的温度;A,B为两种热电极材料。
㈡拍尔帖效应
各种导体中都存在着大量的自由电子，不同导体自由电子的密度也不同，当两种金属连接在一起时，在结点处就要发生电子扩散，电子密度大的金属的自由电子就要向电子密度小的导体扩散。
这时电子密度大的金属由于失去电子而具有正电位;相反，电子密度小的金属由于获得了扩散来的多余电子而带负电，这种扩散一直到动态平衡为止。
此时具有一定的稳定的接触电势，该接触电势除与材料的性质有关外，还与结点温度有关。
所以回路中的总接触电势如式（2.2）：
（2.2）
式（2.2）中，
为A,B两种材料在温度为T时的接触电势:
K为波尔兹曼常数;e为电子荷;
为材料A和B在温度为T时的自由电子密度。
㈢白汤姆逊效应
对于单一均质导体，当两端温度不同时，两端也将有一定大小的电势。
产生的原因是，在不同温度下，自由电子具有不同的动能，温度高时能动大，动能大的电子就会
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