测控系统综合设计分析

测控系统综合设计

一、设计目的

1、了解热电偶的基本概念，掌握热电偶的工作原理；

2、掌握热电偶的基本定律、基本类型、温度补偿方法、使用热电偶的测温方法；

3、掌握热电偶温度测量系统设计方法，学会独立思考、解决问题的能力。

二、设计任务

1、收集资料，阅读文献，了解热电偶测温原理。

2、设计热电偶温度补偿电路，信号放大电路，A/D采样电路及信号的处理显示电路。

3、编写程序实现热电偶温度系统设计，画Protell99电路图。

三、设计内容

1、热电偶工作原理：

热电偶是一种感温元件，热电偶由两种不同成份的均质金属导体组成，形成两个热电极端。温度较高的一端为工作端或热端，温度较低的一端为自由端或冷端，自由端通常处于某个恒定的温度下。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塞贝克电动势—热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。

热电偶温度测量由如图所示三部分组成：

1）、热电偶

2）、毫伏测量电路或毫伏测量仪表

3）、连接热电偶和毫伏测量电路的补偿导线与铜线

图1 热电偶连接示意图

2、工业用普通热电偶结构

铂铑10-铂热电偶分度表

图2 工业用普通热电偶结构图

?热电极（材料的热电特性稳定）；

?绝缘套管（防止电极间短路）；

?保护套管（隔离电极与介质，免受机械损伤或化学腐蚀等）；

?接线盒。

3、常用的热电偶

1）、热电偶名称的含义：前面为正极，后面为负极，下脚标为某种金属的含量。

2）、分度号：代表温度范围和输出电压等级。热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。

3)、分度表：温度与热电动势之间的关系。

图3 S 型(铂铑10-铂)热电偶分度表 分度表每10℃分档 ,中间值按内插法计算: 式中： tM — 被测温度值； tH — 较高的温度值； tL — 较低的温度值；

EM 、EH 、EL — 分别为温度tM 、tH 、tL 对应的热电势

4、铂铑10—铂热电偶(S 型)

正极：铂铑合金丝,用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。 负极：铂丝。

测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。 特点：

? 材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。实验室或校验其它热电偶。 ? 测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。 ? 在高温还原性气体中易被侵蚀，需要用保护套管。 ? 材料属贵金属，成本较高。 ? 热电势较弱。

()

M L

M L H L H L

E E t t t t E E -=+?--

5、镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K 型)

正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％ 硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。

负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴 冶炼而成)。

测量温度：长期1000℃，短期1300℃。 特点：

? 价格比较便宜，在工业上广泛应用。

? 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2、H2S 等气 体中易被侵蚀。

? 热电势大，但精度不高。 6、镍铬—康铜热电偶(E 型) 正极：镍铬合金

负极：康铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。 测量温度：长期600℃，短期800℃。 特点：

● 价格比较便宜，工业上广泛应用。 ● 在常用热电偶中它产生的热电势最大。

● 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。康铜易氧化变质，适 于在还原性或中性介质中使用。 7、热电偶的基本定律 1）、中间导体定律

在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响.

t 0

t C

1

1

（a)

（b)

应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。

根据中间导体定律，还可以用开路热电偶对液态金属或金属壁面测温（被测物体是中间导体）。

2）、中间温度定律

对于同种热电偶，两端温度为T1、T3时产生的热电势为该热电偶两接点温度为T1 、 T2和T2 、 T3时所产生的热电势的代数和，T2为T1和T3之间的任一温度。

C0AB00

(,)()()(,)

AB AB AB

E t t E t E t E t t

=-=

()()()

131223

,,,

AB AB AB

E T T E T T E T T

=+

中间温度定律是制定热电偶分度表的理论基础。热电偶分度表都是以冷端温度为0℃时做出的。

一般工程测量中冷端都不为零（任一恒定值），因此，只要测出热端、冷端的热电势，便可利用利用热电偶分度表求出工作端的被测温度值。

中间温度定律的应用:

?根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B′，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。

?该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。

3）、标准导体(电极) 定律

已知两个导体A、B分别与另一导体C组成的热电偶的热电势已知，则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势EAB(T,T0)为:

意义:

?通常选用高纯铂丝作标准电极;

?只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。

4）、均质导体定律

由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。

意义:

有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。 8、热电偶的结构和种类 1）、结构

为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有： ? 普通型热电偶 ? 特殊热电偶 ? 铠装型热电偶 ? 薄膜热电偶

普通型热电偶

图4 普通型热电偶结构

铠装型热电偶

图5 铠装型热电偶结构

接线盒

热端

绝缘管

保护管

铠装型热电偶 可长达上百米

B

A

绝缘材

料

铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。

优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。

薄膜热电偶

热电极

工作端

接头夹具

图6 薄膜型热电偶结构

特点：热接点可以做得很小（μm），具有热容量小、反应速度快（μs）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。

2）、热电极材料的选取

性能稳定 ;

温度测量范围广;

物理化学性能稳定 ;

导电率要高，并且电阻温度系数要小;

材料的机械强度要高，复制性好、复制工艺简单，价格便宜;