熱電偶在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

熱電偶的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)一．熱探測(cè)器熱探測(cè)器是用探測(cè)元件吸收入射輻射而產(chǎn)生熱、造成溫升,并借助各種物理效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)換成電量的原理而制成的器件。最常用的有溫差電偶、測(cè)輻射熱計(jì)、高萊管、熱電探測(cè)器。一般來說，熱探測(cè)器的接收元由于表面涂黑它的光譜響應(yīng)是無選擇性的，它只受透光窗口光譜透射特性的限制，因此主要應(yīng)用于紅外區(qū)和紫外區(qū)。熱探測(cè)器又分為：熱電偶(熱電堆)、測(cè)輻射熱計(jì)、熱釋電探測(cè)器。下面主要介紹熱電偶在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。二．熱電偶概念熱電偶(thermocouple)是常用的測(cè)溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。它的工作原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)。這種物理現(xiàn)象也稱為熱電效應(yīng)。兩種不同材料的導(dǎo)體所組成的回路稱為熱電偶。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，熱電偶的兩個(gè)接點(diǎn)中，置于溫度為T的被測(cè)對(duì)象中的結(jié)點(diǎn)稱為測(cè)量端，又稱工作端或熱端；而置于參考溫度為T的另一結(jié)點(diǎn)稱之為參考端，又稱0自由端或冷端。由電子理論分析得熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)E(T,T)由接觸電AB0動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端(測(cè)量端為熱端，通過引線與測(cè)量電路連接的端稱為冷端)的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。如果將單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)忽略不計(jì)，并取接觸電動(dòng)勢(shì)e(T)的方向?yàn)檎较?，則有ABknE沁e(T)-e(T)=(T-T)lnA

ABAB、丿AB0丿e' 0丿nB式中e(T)—A、B兩種材料在溫度為T時(shí)的接觸電動(dòng)勢(shì)；ABT—接觸處的熱力學(xué)溫度；k—波爾茲曼常數(shù)(k=1.38X10-23J/K);e一電子電荷(e=1.6X10M)；nn—熱電極材料A、B的自由電子密度。A、B三．計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制熱電偶檢測(cè)系統(tǒng)溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)，溫度控制在工業(yè)實(shí)踐和科學(xué)研究中具有極大意義，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)，在現(xiàn)代化的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，常用熱電偶測(cè)試高溫，測(cè)試結(jié)果送至主控機(jī)，這樣實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制熱電偶檢測(cè)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制熱電偶檢測(cè)系統(tǒng)是按照檢定規(guī)程對(duì)檢測(cè)精度要求采用數(shù)字PID控制，運(yùn)用工業(yè)控制軟件開發(fā)爐溫控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使溫控達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偶和被檢偶的數(shù)據(jù)采集、處理、檢定結(jié)果進(jìn)行綜合分析。熱電偶檢測(cè)系統(tǒng)在整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中，爐溫變化采用實(shí)時(shí)控制，即將爐溫控制在檢定點(diǎn)溫度值的+50C~-50C以內(nèi)，使?fàn)t溫保持良好的熱平衡狀態(tài)，是爐溫變化每分鐘不超過0.20C,至整個(gè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束，爐溫變化不超過0.80C,應(yīng)用計(jì)算機(jī)和控制理論，可以對(duì)熱電偶檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)施智能控制。主要采用數(shù)字PID控制，通過計(jì)算機(jī)對(duì)爐溫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，處理、檢定、調(diào)整。(一)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)設(shè)備系統(tǒng)的總體組成框圖如圖1，包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)，模擬接口板，熱電偶檢定爐，單相過零觸發(fā)可控硅調(diào)壓器，PCI接口板，接口板通過微機(jī)I/O通道與主機(jī)相連,分別完成模擬量的輸出，熱電偶信號(hào)的輸入和數(shù)字量的輸出功能。圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)中采用微機(jī)控制單相過零觸發(fā)可控硅調(diào)壓器自動(dòng)控制單相檢定爐溫度方案，選用MS-0819接口板作媒介，將控制熱電偶檢定爐溫度的數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換為模擬量,達(dá)到控制可控硅的調(diào)控作用，最終完成控制電偶檢定爐的溫度，模擬量輸出采用雙D/A芯片，增加了D/A的路數(shù)且每路D/A彼此獨(dú)立，芯片內(nèi)部?jī)陕稤/A各有一個(gè)8位數(shù)據(jù)鎖存器，同時(shí)或分別輸出模擬量，且一直保持到下次轉(zhuǎn)換之前，D/A路輸出模擬電壓量，由于系統(tǒng)是實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)，其測(cè)量到的數(shù)據(jù)電壓值精度高因而有較快的速度及很高的運(yùn)算精度。（二）控溫、溫度采集和數(shù)據(jù)處理控溫系統(tǒng)選用D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即選用鎳鉻-鎳硅熱電偶作為溫度傳感器，其測(cè)溫范圍適中，線性度好，輸出熱電動(dòng)勢(shì)較大，便于測(cè)量放大器選型，熱電偶檢定爐的恒溫控制，升溫過程中可控硅調(diào)壓控制有危機(jī)輸出PID調(diào)節(jié)信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)可控硅觸發(fā)調(diào)節(jié)電路，從熱電偶來的信號(hào)都是非線性信號(hào)，其線性化可通過軟件完成，以溫度（滿刻度為800°C,熱電偶輸出為33277uF）為例說明如下：設(shè)任一溫度T（TW800°C），熱電偶輸出為V微伏，則其對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為TOC\o"1-5"\h\znn n（VX32768/33277）,采樣中，溫度F對(duì)應(yīng)的數(shù)量N或等于Tn對(duì)應(yīng)的數(shù)字量Na,n x或介于Tn與T對(duì)應(yīng)的數(shù)字的數(shù)字量Na和Nb之間，若N二Na,則T=Tn，否則Tn+1 x可由下式計(jì)算：\o"CurrentDocument"”T"X（廊-他J+八汩I丿X｛愿-性丿

r= 2x +『°式中：T—為冷端溫度。實(shí)踐證明，預(yù)先構(gòu)成溫度和數(shù)字量的對(duì)應(yīng)表，采用折半查找，檢定方法是同極比較，公式如下：1）被檢偶為標(biāo)準(zhǔn)偶曰標(biāo)準(zhǔn)一_日古標(biāo)厲標(biāo)準(zhǔn)式中：e被一檢熱電偶在檢定點(diǎn)t°C附近測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)mv;e標(biāo)，被一分別為標(biāo)準(zhǔn)和被檢熱電偶在檢定點(diǎn)t°C附近測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)的算術(shù)平均值；S標(biāo)測(cè)，S被一分別為標(biāo)準(zhǔn)和被檢熱電偶在檢定點(diǎn)t°C時(shí)的微分電動(dòng)勢(shì)值Uv；2）被檢偶為工作偶希準(zhǔn)二獅x陰式中：Ae—誤差值mv;e標(biāo)測(cè),e被測(cè)一分別為標(biāo)準(zhǔn)和被檢熱電偶在某檢定點(diǎn)附近溫度下（參考端溫t t度為0°C時(shí)）測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)的算術(shù)平均值mv;e標(biāo)準(zhǔn)一標(biāo)準(zhǔn)熱電偶檢定證書上某檢定點(diǎn)濕度的微分熱電動(dòng)勢(shì)值;S標(biāo)，S被一分別為標(biāo)準(zhǔn)和被檢熱電偶在某檢定點(diǎn)溫度的微分熱電動(dòng)勢(shì)值UV/°C;e分一在熱電偶分度表上查得的某檢定點(diǎn)溫度的熱電動(dòng)勢(shì)值mv;熱電偶檢定過程中的爐溫控制采用PID方式調(diào)節(jié)。由于對(duì)熱電偶檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，使整個(gè)系統(tǒng)得