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热电偶温度变送器及温度控制系统文献综述姓名:贾振宇学号：1367112116班级：测控13级1班指导老师：李文涛肖俊生燕芳设计综述一．前言实际生产现场中，温度是一种常用也是较为方便测量的热工参数，它是现今使用最广也是急需问题解决最多的物理量。在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据正常传输，并对所测温度进行较精确的控制，是目前需要解决的问题。就拿本次课程设计，要求设计用于工业电阻炉炉温控制中的热电偶温度变送器，这种变送器属于接触式测温，在工业用测量技术中接触式测温发展较早，也是现今运用广泛的技术。这种好方法相对于非接触式测温来说简单、可靠、低廉、测量精度较高。相应地温度控制技术分为动态温度跟踪与恒值温度控制，本次设计所用的温度控制系统就是实现对电阻炉的恒值温度控制要求。针对加热电阻炉的温度控制系统，其温度控制范围在室温到1000℃之间，精度要求为±3℃，而热电阻温度传感器测温范围主要在中、低温区域（-200℃～850℃）。故采用热电偶作为传感器最为适合。二．热电偶温度变送器热电偶是一种一次性温度检测元件，它通过直接测量温度，将温度信号转换成热电动势信号，利用电气仪表转换成被测介质的温度。它可用来检测-200℃～1600℃的温度，特殊情况下可以测2800℃的高温或4K的低温，是目前工业生产中应用广泛的接触式测温元件。热电偶温度变送器测温的基本原理是：两种不同材质的导体组成闭合回路，当两个接点间存在温度梯度时，回路中产生电流，这种现象叫热电效应，相应的电动势叫热电动势。两导体构成的闭合回路就是热电偶，两导体为热电偶的热点极，热电偶的两接点中置于温度为T的被测对象中的一端为热端，即测量端，温度较低的另一端为自由端，又叫冷端，通常安置在恒温下。本次设计运用的热电偶温度传感器适合用K型热电偶，同显示仪表，记录仪表和电子调节器配合使用。K型热电偶，可直接测量从0℃到1300℃范围的液体蒸汽，气体及固体表面的温度。导体材料为镍铬--镍硅合金，它是一种能测较高温度且性价比很高的热电偶，具有较好的高温抗氧化性能，适用于氧化或中性介质。K型热电偶传感器利用塞贝克效应检测温度，热电势较大，热电势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。温差电势可忽略不计，主要为接触电势，又称帕尔帖电势，大小为:eAB(T)=kT/e(InNA/NB)。本次课程设计主要克服的问题我觉得应该有热电势与温度的非线性函数关系，冷端温度补偿，以及传感器电压信号转换成输入调节器的标准电电流信号。三.热电偶测温的线性化处理通过查阅资料我了解到用热电偶作为温度传感器,在应用中要进行参考端补偿及线性化处理。过去常规的方法是靠硬件补偿和校正非线性,误差较大,现今以微处理器为核心的一类数字仪表,采用软件来处理这两个问题,可以达到相当高的测量准确度。就参考端补偿，从简便性、测量准确度等方面考虑,为充分发挥微处理器的计算能力,在热电偶测温中可采用计算法进行参考端补偿。计算法就是先测出热电偶参考端的温度,然后按下式计算:e(t,t0)=e(t,t0')+e(t0',t0)式中:e(t,t0)为热电偶测量端温度为t,参考端温度为t0时的热电势;e(t,t0')为热电偶端温度为t,参考端温度为t0'时的热电势;e(t0',t0)为热电偶测量端温度为t0',参考端温度为t0时的热电势。采用图1的测量系统中,铂电阻测得热电偶参考端温度后,折合为相应的热电偶毫伏数e(t0',t0),再与测得的热电偶毫伏信号e(t,t0')迭加。由于数字量迭加法中,补偿电势和温度电势是两次分别采样,分别进行线性处理,因此,不会因两者的线性差异而带来补偿误差。得到e(t,t0)后,便可进行e→t线性化处理；关于线性化处理模块，常用的线拟合法。查表法是直接利用微机内存单元,将分度表固化在存储器中。但查表法占用内存太大,这对内存量不大的微处理器来说是很不合算的。曲线法则是利用热电势与温度的函数关系,通过计算实现补偿。阶数越高,拟合误差越小。实际计算表明,采用分段的方法,拟合公式的阶数不会太高；还有自校准模块，温度测量电路使用一段时间后,需要对检测的准确性进行校准。校准方法,一般是先将输入电路硬件可调元件校准好；平时通过软件来调整一些相应的参数以达到校准的目的,也就是以软件来校正硬件。这样,就避免了调整硬件的麻烦,简化了校准过程。软件方法进行自校准时,用信号发生器送出标准信号,例如当校准S型热电偶的输入电路时,送出S型热电偶在300℃时的热电势为2.323mV。将此标准信号直接送至输入电路，进行自校准程序，观察显示的温度值是否为标准信号所对应的温度值。如有误差,则根据显示的温度值(五位)与标准值的差别,进行调整直至显示准确温度值时为止。图一温度补偿及线性化处理电路四．实现温度控制的方法温度控制系统采用单片机控制，不但使控制简捷，降低了产品的成本，还可以和计算机通讯，提高了生产效率。单片机是指芯片本身，而单片机系统是为实现某一个控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在工业生产温控系统中采用的测温元件和测量方法不相同，产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同，因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。通常由位式或时间比例式温度调节仪控制的工业加热炉温度控制系统，其主回路由接触器控制时因为不能快速反应，所以控温精度都比较低，大多在几度甚至十几度以上。随着电力电子技术及元器件的发展，出现了以下几种解决的方案：1.主回路配以PID或模糊逻辑控制的调节仪构成的温度控制系统，其控温精度大大提高，常在±2℃以内，优势是采用模糊控制与PID控制相结合，对控制范围宽、响应快且连续可调系统有巨大的优越性。2.采用单片机温度控制系统。用单线数字温度传感器采集温度数据,打破了传统的热电阻、热电偶再通过A/D转换采集温度的思路。用单片机对数字进行处理和控制,通过RS-232串口传到PC机对温度进行监视与报警,设置温度的上限和下限。其优势是结构简单，编程不需要用专用的编程器,只需点击电脑鼠标就可以把编好的程序写到单片机中,很方便且调试、修改和升级很容易。3.ARM(AdvancedRISCMachine)嵌入式系统模糊温度控制。利用ARM处理器的强大功能，通过读取温度传感器数据，并与设定值进行比较，然后对温度进行控制。通过内嵌的操作系统μCLinux获得极好的实时性，并且通过TCP/IP协议能与PC机很快的通讯。其优势不只是温度控制精度高，而且能够通过现场跟远程两种方式来设定控制温度。传统的温控系统温度控制方式已不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少，因此不适合用此种方法作加热炉的温控系统。近几年工业生产中应用了多种先进的加热炉温度控制方式，如：模糊控制。这个控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本提高了生产效率。不过模糊控制系统动态性能好，但稳态性差，很难使两种性能指标都达到理想要求。目前普遍采用模糊——线性复合控制器发挥了模糊控制和线性控制的优点，使设计的系统取得了较好的动态和稳态指标。但是，模糊——线性复合控制同时也存在一些问题：线性前馈复合控制的系统性能对参数变化比较敏感；模糊——线性双模控制存在开关切换问题等；在线性控制的误差通道并联模糊控制器系统和模糊控制器与线性控制器并联系统。尽管得到了较好的效果，但并不能从根本上解决模糊控制器稳态性能和动态性能之间的矛盾问题。结合以温度控制为主的工业控制系统对产品工艺、温度的精度要求，再考虑不同的加热系统温控方法，考虑热电阻炉温控方法的优缺点，选择最佳的设计方案为单片机温度控制系统，基于单片机结合热电偶温度变送器的温度控制系统在工业生产中较为合适。用单片机对热炉温度进行控制，不仅精度高，反映速度快，对环境要求不高，价格便宜并且易于实现等优点，能够大规模的运用和生产，能很好的完成对温度的监测和控制。五．基于单片机的温度控制温度控制系统主要包括数据采集模块、单片机控制模块、显示模块、温度设置模块和驱动电路5个部分。其中数据采集模块负责实时采集温度数据，采集到的温度数据传输到单片机，由单片机处理后的数据送到显示部分显示。设置模块可设置预定温度，当检测到的温度低于设定温度时，单片机控制驱动电路启动加热，并发出报警声；当检测温度高于设定温度时，停止加热。基于单片机的温度控制原理传感器是测量温度信息的主要载体，通过传感器把经过的温度信息放大到电路，先转换成为毫伏级的电压信号，把弱电压信号慢慢放大到单片机能够自由处理的可调控范围之内，然后再通过输入A/D转换器把电压信号转换成为数字信号，然后通过相应的软件把得到的数字信号成功地输入到主机中去。在使用单片机对信号进行采集的时候，一般为了提高测量的准确度，必须要求在采样的同时对信号进行数字滤波。同时，经过数字滤波的信号，就会逐渐转换成为相应的标度，把得到的温度指数显示在LED屏上。此外,还可以把得到的温度值与提前设定的温度值进行比较。然后按照积分分离PID控制算法分析两者之间存在偏差的大小,并由此得出最后的输出控制量值。再通过输出控制量的数值来确定导通的时间及加热的功率,从而达到有效的调节温度环境的目的。在温度控制系统的整个设计环节当中，运用十进制的数码来显示实际的温度值，通过键盘在系统内提前输入人工设置的温度范围，当实际的温度没有出现规定的温度范围内时，系统将会启动自动调节温度的功能，以保持不间断地提供稳定的温度，从而实现自动控温的目的。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能，还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。主要运用单片机技术、微机接口技术、传感器与信号处理技术。用热电偶温度传感器感知温度，并转换成电压的输出，单片机的外围电路芯片ADC0809把模拟信号转换成数字信号，输入到单片机中。包括系统的硬件设计和软件设计。硬件方面有8155接口电路，A/D转换电路，温度传感器DS18B02进行热电偶冷端温度检测，然后把它们整合成为一个整体，完成对温度进行控制的硬件部分。在软件设计方面，对主程序，中断服务程序，采样子程序，数字滤波程序进行编写。本设计可选择AT89C51作为主控芯片。具体系统方框图如下：图二系统方框图六．总结此次设计我觉得贴合所学专业知识，可以采用基于单片机结合热电偶温度传感器对工业生产中温度的控制与设计，包括硬件组成和软件的设计，该系统在硬件设计上主要是通过温度传感器对温度进行采集，把温度转换成变化的电压，然后由放大器将信号放大，通过A/D转换器，将模拟温度电压信号转化为对应的数字温度信号电压。其硬件设计中最为核心的器件是单片机AT89C51，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字温度电压值经计算机处理得到相应的温度值，送到LED显示器，以数字形式显示测量的温度。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机AT89C51实现其控制功能。整个系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活，功能强大，性能价格比高，能较好的满足了现代工业生产和科研的需要。参考文献［1］刘洋，吴双.热电偶温度传感器的研究与发展现状.天津商学院.2003.11［2］李忠虎，李希胜.过程参数检测技术及仪表.中国计量出版社.2009.1［3］朱晓旭，周修文.温度传感器.北京电子科技报.2013.3.5［4］刘希民.热电偶线性温度测量装置.仪器仪表学报.2007.1［5］张明春，肖燕红.热电偶