热电偶自动检定系统毕业论文(编辑修改稿)

热电偶自动检定系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 热电偶自动检定系统简介 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。 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，内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 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 所示 管 式 电 阻 炉冰瓶放 大 电 路放 大 电 路A / D 转 换T L C 0 8 3 2单 片 机L E D 显 示 器可 控 硅 调 压器放 大 电 路D / A 转 换 单 片 机 A / D 转 换 图 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 TLC083 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 所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 管 式 电 阻 炉冰瓶放 大 电 路放 大 电 路A / D 转 换T L C 0 8 3 2计 算 机打 印 机可 控 硅 调 压器放 大 电 路D / A 转 换 单 片 机 A / D 转 换 图 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。 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，并将采集到的数内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 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 10C 范围内，且炉温变化每分钟不超过 0. 2C 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 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 C。 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（ ），（ ）所示。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 标测差 VVV  （ ） %100*V VV量程标测  （ ） 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。 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 C 范围内，且要求炉温变化每分钟不超过 0. 2 C。 这些功能由加热炉控温系统实现。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 第二章 热电偶测温计及测量对象温度简介 温度对象基本概念 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。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 ③ ITS90 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。 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。 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 200~1300C 范围内的温度。 热电偶具有性能内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 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。 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 所示 ABT 0T0T 图 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 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 )T,T(E 0AB 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（ ）所示 )()(),( 00 0 TeTedTSTTE ABABTT ABAB   () 式中， )T(eAB ， )T(e 0AB 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。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 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。