热电偶在温度控制系统中的应用

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1、热电偶的自动检测系统一．热探测器热探测器是用探测元件吸收入射辐射而产生热、造成温升,并借助各种物理效应把温升转换成电量的原理而制成的器件。最常用的有温差电偶、测辐射热计、高莱管、热电探测器。　　一般来说，热探测器的接收元由于表面涂黑它的光谱响应是无选择性的，它只受透光窗口光谱透射特性的限制，因此主要应用于红外区和紫外区。热探测器又分为：热电偶（热电堆）、测辐射热计、热释电探测器。下面主要介绍热电偶在温度控制系统中的应用。二．热电偶概念热电偶（thermocouple）是常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通

2、过电气仪表转换成被测介质的温度。它的工作原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势。这种物理现象也称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为热电偶。两种不同成份的均质导体为热电极，热电偶的两个接点中，置于温度为T的被测对象中的结点称为测量端，又称工作端或热端；而置于参考温度为T0的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。由电子理论分析得热电偶产生的热电动势EAB（T,T0）由接触电动势和温差电动势两部分组成。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该

3、材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。如果将单一导体的温差电动势忽略不计，并取接触电动势eAB(T)的方向为正方向，则有式中eAB(T)—A、B两种材料在温度为T时的接触电动势；T—接触处的热力学温度；k—波尔兹曼常数（k=1.38×10-23J/K);e—电子电荷(e=1

4、.6×10-19C);nA、nB—热电极材料A、B的自由电子密度。三．计算机自动控制热电偶检测系统温度是工业生产中常见的工艺参数，温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义，因此温度控制是生产自动化的重要任务，在现代化的工业现场，常用热电偶测试高温，测试结果送至主控机，这样实现了计算机自动控制热电偶检测系统。计算机自动控制热电偶检测系统是按照检定规程对检测精度要求采用数字PID控制，运用工业控制软件开发炉温控制系统进行优化，使温控达到标准化，同时对标准偶和被检偶的数据采集、处理、检定结果进行综合分析。热电偶检测系统在整个数据采集过程中

5、，炉温变化采用实时控制，即将炉温控制在检定点温度值的+50C~-50C以内，使炉温保持良好的热平衡状态，是炉温变化每分钟不超过0.20C，至整个数据采集结束，炉温变化不超过0.80C，应用计算机和控制理论，可以对热电偶检测系统实施智能控制。主要采用数字PID控制，通过计算机对炉温进行数据采集，处理、检定、调整。（一）系统结构和相应设备系统的总体组成框图如图1，包括一台计算机，模拟接口板，热电偶检定炉，单相过零触发可控硅调压器，PCI接口板，接口板通过微机I/O通道与主机相连，分别完成模拟量的输出，热电偶信号的输入和数字量的输出功能。图

6、1系统总体结构框图系统中采用微机控制单相过零触发可控硅调压器自动控制单相检定炉温度方案，选用MS-0819接口板作媒介，将控制热电偶检定炉温度的数据量转换为模拟量，达到控制可控硅的调控作用，最终完成控制电偶检定炉的温度，模拟量输出采用双D/A芯片，增加了D/A的路数且每路D/A彼此独立，芯片内部两路D/A各有一个8位数据锁存器，同时或分别输出模拟量，且一直保持到下次转换之前，D/A路输出模拟电压量，由于系统是实时测控系统，其测量到的数据电压值精度高因而有较快的速度及很高的运算精度。（二）控温、温度采集和数据处理控温系统选用D/A数模转

7、换器，即选用镍铬-镍硅热电偶作为温度传感器，其测温范围适中，线性度好，输出热电动势较大，便于测量放大器选型，热电偶检定炉的恒温控制，升温过程中可控硅调压控制有危机输出PID调节信号，经D/A转换驱动可控硅触发调节电路，从热电偶来的信号都是非线性信号，其线性化可通过软件完成，以温度（满刻度为800°C，热电偶输出为33277uF）为例说明如下：设任一温度Tn（Tn≤800°C），热电偶输出为Vn微伏，则其对应的数字量为（Vn×32768/33277），采样中，温度F对应的数量Nx或等于Tn对应的数字量Na，或介于Tn与Tn+1对应的数字

8、的数字量Na和Nb之间，若Nx=Na，则T=Tn，否则T可由下式计算：式中：T—为冷端温度。实践证明，预先构成温度和数字量的对应表，采用折半查找，检定方法是同极比较，公式如下：1）被检偶为标准偶式中：e被—检热电偶在检定