1、2022-10-271热电偶传感器热电偶传感器 2022-10-272热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点 1、它属于、它属于自发电型自发电型传感器：测量时可以传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、测温范围广、测温范围广：下限可达：下限可达-270 C C，上限，上限可达可达18001800 C C以上；以上；3 3、各温区中的热电势均符合、各温区中的热电势均符合国际计量委国际计量委员会员会的标准。的标准。2022-10-273先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动
2、势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考（参考端、端、冷冷端端）第第1 1节节 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 左端称为：左端称为：测量端测量端（工作（工作端、端、热热端端）热电极热电极B B热电势热电势AB2022-10-274热电偶中总的热电势为热电偶中总的热电势为),()(),()(),(0000TTETETTETETTEBABAABAB 在总热电势中，温差电势跟接触电势相比小在总热电势中，温差电势跟接触电势相比小得多，故可忽略不计，从而热电势可表示为得多，故可忽略不计，从而热电势可表示为BAABABABnnTTeK
3、TETETTEln)()()(),(0002022-10-275 下页下页上页上页返回返回cTEAB)(0)()()(),(0TcTfcTETTEABABT0一定时，一定时，结论：结论：1.两电极材料相同，输出电势为两电极材料相同，输出电势为0；2.热电偶两结点温度相同，电动势为热电偶两结点温度相同，电动势为0；温；温差越大，电势越大。差越大，电势越大。3.电动势大小与热电偶尺寸无关电动势大小与热电偶尺寸无关2022-10-276一般是用实验方法来求取这个函数关系，一般是用实验方法来求取这个函数关系，通常是令通常是令T0=0C，然后在不同的测量端温度下精确地测出回路中，然后在不同的测量端温度下
4、精确地测出回路中总热电势，并将所测得的结果绘成曲线，或列成表格（常总热电势，并将所测得的结果绘成曲线，或列成表格（常常称为热电偶分度表），以供在使用的时候查阅。常称为热电偶分度表），以供在使用的时候查阅。下页下页上页上页返回返回 400 800 1200 10 30 50 70 t(oC)热电势(mV)铂铑铂 LB-3 镍铬镍硅 EU-2 铁考铜 镍铬考铜 EA-2 图 3.35 各种热电偶的温度热电势关系曲线 2022-10-2772022-10-278 3）中间温度定律）中间温度定律 热电偶AB在接点温度为T，Tm时的热电势等于该热电偶在接点温度为Tm，T0和 T，Tm 时相应的热电势的代
5、数和，即 若T0=0，则有 下页下页上页上页返回返回),(),(),(00TTETTETTEmABmABAB)0,(),()0,(mABmABABTETTETE 图 3.37 中间温度定律 A B T T0 Tm 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。实际中利用热电偶测温时，参考端温度常常不实际中利用热电偶测温时，参考端温度常常不为为0 0CC，可以利用热电偶的此定律进行热电势，可以利用热电偶的此定律进行热电势修正。修正。2022-10-279第第2 2节节 热电偶的种类及结构热电偶的种类及结构 八种八种国际通用热电偶：国际通用热电偶：B:B:铂铑铂铑
6、3030铂铑铂铑6 6 、R:R:铂铑铂铑1313铂铂 、S:S:铂铑铂铑1010铂铂 、K:K:镍铬镍铬镍硅镍硅 、N:N:镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅 、E:E:镍铬镍铬铜镍铜镍、J:J:铁铁铜镍铜镍 、T:T:铜铜铜镍铜镍 用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶丝2022-10-2710热电偶名称热电偶名称 分度号分度号 适用温度（适用温度（oC）特特 点点 镍铬镍铬铜镍铜镍 E-40800 优点：适用于还原气氛中，灵敏度优点：适用于还原气氛中，灵敏度 高，价格低高，价格低缺点：使用温度区窄，易氧化，高缺点：使用温度区窄，易氧化，高 温具有滞后现象温具有滞后现象 镍铬镍铬
7、镍硅镍硅 K-401000 优点：线性度好，适用于氧化性气优点：线性度好，适用于氧化性气 体，耐金属蒸汽，价格便宜体，耐金属蒸汽，价格便宜缺点：略有滞后现象，高温还原气缺点：略有滞后现象，高温还原气 氛中易腐蚀氛中易腐蚀 铂铑铂铑10铂铂 S0+1400 优点：稳定性好，可作标准热电偶，可优点：稳定性好，可作标准热电偶，可 在氧化性和中性介质中使用在氧化性和中性介质中使用缺点：铂分子易挥发而变质，热电势缺点：铂分子易挥发而变质，热电势 小，成本高小，成本高 铂铑铂铑30铂铑铂铑6 B+300+1700 优点：可长期应用于优点：可长期应用于1600 oC高温，适高温，适 合于氧化及中性介质中使用
8、合于氧化及中性介质中使用缺点：常温时热电势小，价格高缺点：常温时热电势小，价格高 下页下页上页上页返回返回热电偶的分度表热电偶的分度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法 我国从我国从1991年开始采用国际计量委员会规年开始采用国际计量委员会规定的定的“1990年国际温标年国际温标”（简称（简称ITS-90）的新）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。有相应的线性化集成电路与之对应。直接从热电偶的分度表查温度与热电直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：势的关
9、系时的约束条件是：自由端（冷端）自由端（冷端）温度必须为温度必须为0 0 C C。本教材本教材p345p345的的附录附录E列出了列出了工业中常工业中常用的用的镍铬镍铬-镍硅（镍硅（K）热电偶）热电偶的分度表。的分度表。如何利用热电偶的分度表如何利用热电偶的分度表 假设热电偶的冷端温度为假设热电偶的冷端温度为0 0 C C，请根据本教请根据本教材材附录附录E工业中常用的工业中常用的镍铬镍铬-镍硅（镍硅（K）热电热电偶的偶的分度表分度表，查出，查出100100 C 、0 0 C、100100 C 时时的热电势。的热电势。K热电偶热电偶的分度表的分度表 比较比较查出的查出的3 3个个热电势，热电势
10、，可以看出可以看出热电势是热电势是否否线性？线性？2022-10-2714普通装配型普通装配型热电偶热电偶的外形的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰2022-10-2715普通普通装配型装配型热电偶的热电偶的结构结构放大图放大图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹（出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢不锈钢保护管保护管 2022-10-2716隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线2022-10-2717隔爆隔爆型热电偶型热电偶 结构特点结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防
11、：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸压铸而成的，有一而成的，有一定的厚度、隔爆空间，定的厚度、隔爆空间，机构强度机构强度较高；采用螺纹隔爆较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。到预期的防爆、隔爆效果。使用场合：使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于工业用的隔爆型热电偶多用于化学工化学工业业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有自控系统中（由于在
12、化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。2022-10-2718其他其他热电偶外形热电偶外形小形小形K K型热电偶型热电偶2022-10-2719功能要求：功能要求：1)1)设定温度显示、实时温度显示；设定温度显示、实时温度显示；2)2)目标温度值设定；目标温度值设定；3)3)手动加热设定值；手动加热设定值；4)4)手动手动/自动设定；自动设定；热电偶应用热电偶应用设计一个加热炉温度控制系统，技术指标：设计一个加热炉温度控制系统，技术
13、指标：测温范围：测温范围：0-1000C0-1000C分辨率：分辨率：1 C1 C测量误差：测量误差：1 C1 C2022-10-2720任务要求：任务要求：1.总体方案确定总体方案确定2.选择温度传感器选择温度传感器3.设计传感器信号处理电路设计传感器信号处理电路2022-10-27211.总体设计思路总体设计思路2022-10-27223.操作模式操作模式 本系统可用本系统可用3 3个按键实现模式切换和参数修改操个按键实现模式切换和参数修改操作，所以这作，所以这3 3个键分别定义为个键分别定义为模式键，数值增加键和模式键，数值增加键和数值减少键数值减少键；用用8个数码管显示模式和对应的个数
14、码管显示模式和对应的参数，参数，左边左边4 4个个数码管显示模式值，右边数码管显示模式值，右边4 4个数码管显示相应模式对个数码管显示相应模式对应的参数值应的参数值。根据系统的功能需求，应该设计。根据系统的功能需求，应该设计4 4种模种模式，各模式的定义如下：式，各模式的定义如下：2022-10-2723 模式模式0 0：温度设定值和温度实时值显示（前：温度设定值和温度实时值显示（前4 4位数码管显示温位数码管显示温 度设定值，后度设定值，后4 4位显示实时温度值）；位显示实时温度值）；模式模式1 1：设置和显示温度设定值（：设置和显示温度设定值（0 012001200）；）；模式模式2 2：
15、设置和显示手动输出值（：设置和显示手动输出值（0 0100100）模式模式3 3：手动：手动/自动切换（自动切换（1 1：手动；：手动；0 0：自动）：自动）2022-10-2724二、温度测控电路设计1.温度检测电路温度检测电路 2022-10-2725 本系统采用镍铬本系统采用镍铬-镍硅（镍硅（K K分度）热电偶作为分度）热电偶作为温度传感器。冷端处于室温，热端为加热炉温度，温度传感器。冷端处于室温，热端为加热炉温度，单片机的单片机的A/DA/D通道可以直接采集热电偶信号，经通道可以直接采集热电偶信号，经冷端温度补偿后，再查表冷端温度补偿后，再查表K K分度则可以得到热端分度则可以得到热端
16、温度值。温度值。室温的测量可以通过室温的测量可以通过AD590AD590将室温变化为电将室温变化为电压信号，经放大后直接送给单片机的压信号，经放大后直接送给单片机的A/DA/D通道，通道，单片机程序自动完成热电偶信号的采集和冷端信单片机程序自动完成热电偶信号的采集和冷端信号的采集，计算出实际的温度测量值。号的采集，计算出实际的温度测量值。2022-10-27262.温度控制电路温度控制电路 周波控制方式周波控制方式实际上是通过调节一定时间周期实际上是通过调节一定时间周期内的供电时间比例（即交流周波数）来控制加热对内的供电时间比例（即交流周波数）来控制加热对象在本周期内获得的电能，从而控制其温度
17、。由于象在本周期内获得的电能，从而控制其温度。由于控制加温的时间比例实现起来相对简单，因此周波控制加温的时间比例实现起来相对简单，因此周波控制方式在温度控制系统获得了比较广泛的应用，控制方式在温度控制系统获得了比较广泛的应用，本系统确定采用周波控制方式。本系统确定采用周波控制方式。2022-10-2727 单片机的单片机的I/0I/0脚输出低电平时，控制脚输出低电平时，控制SSRSSR使加热元件使加热元件接通接通220V220V交流电源，加热元件获得电能，温度升高；交流电源，加热元件获得电能，温度升高；I/0I/0脚输出高电平时，脚输出高电平时，SSRSSR开路，加热元件两端无电压，开路，加热
18、元件两端无电压，停止加热，对象的温度开始下降。停止加热，对象的温度开始下降。2022-10-2728 采用控制时间比例控制的具体方法：采用控制时间比例控制的具体方法：设定一个标准的加温周期设定一个标准的加温周期T T，以，以T T为周期对温度进行采样，获为周期对温度进行采样，获得温度测量值；得温度测量值；根据设定值和测量值的偏差，进行根据设定值和测量值的偏差，进行PIDPID运算；运算；将将PIDPID的输出转换为的输出转换为SSRSSR的通断时间的通断时间百分数百分数。PIDPID的输出为的输出为0 0，则则SSRSSR接通时间为接通时间为0 0，即本周期无输出；如果，即本周期无输出；如果P
19、IDPID输出为输出为100100，则则SSRSSR接通时间为接通时间为T T，即本周期为全输出；如果，即本周期为全输出；如果PIDPID的输出为的输出为MVMV，则则SSRSSR的接通时间为的接通时间为T TMVMV，断开时间为，断开时间为T TT TMVMV。例如：例如：T=120T=120秒，秒，PIDPID计算结果为计算结果为75%75%，则本次，则本次2 2分钟内就应加温分钟内就应加温9090秒，停秒，停3030秒。秒。2022-10-2729三、PID控制算法的实现位置式位置式PIDPID算法计算公式如下：算法计算公式如下：Pout(t)=KpPout(t)=Kp*e(t)+Kie
20、(t)+KiSum_e(t)+KdSum_e(t)+Kd*(e(t)-e(t-1);(e(t)-e(t-1);其中，其中，e(t)e(t)为基本偏差，表示当前测量值与设定目标值之间为基本偏差，表示当前测量值与设定目标值之间的差值，结果可以是正或负，设定目标作为被减数的话，正的差值，结果可以是正或负，设定目标作为被减数的话，正数表示还没有达到设定值，负数表示已经超过了设定值。数表示还没有达到设定值，负数表示已经超过了设定值。累计偏差累计偏差Sum_e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+Sum_e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+e(1)+e(1)是每是每次偏差值的代数和。次偏差值的代数和。基本偏差的相对偏差基本偏差的相对偏差e(t)-e(t-1)e(t)-e(t-1)是用本次的基本偏差减是用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，以考察当前被控量的变化趋势，有利去上一次的基本偏差，以考察当前被控量的变化趋势，有利于快速反应。于快速反应。2022-10-2730
