基于K型热电偶的温度计的研究与设计

本篇文章是博主参加比赛时的项目说明书，在这次比赛中博主获得全省二等奖，今天将项目说明书分享出来，希望和大家共同进步！！！

设计原理与方法：

一、设计原理

（一）、热电效应及热电偶
… …两种不同的导体（或者半导体）组成闭合回路，当两端结点温度不同时，回路中会产生电流，这个现象被称为“热电效应”， 或者“ 塞贝克效应”。既然回路中有电流, 所以必然存在电动势，这个电动势是由于温度差而产生的，所以称为热电动势或热电势 。它由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。
热电偶是热电效应的一种应用。将两种导体构成闭合回路组成热电变换的元件即叫热电偶。公式1即热电偶回路中产生的总热电势的表达式，其中，T及T0分别为热电偶两端的温度，NA及NB分别为金属A、B的自由电子密度，及分别为金属A、B的温差系数。由公式1可见，热电势与两个电极的材料及两个结点的温度有关。

… …目前国际上已有8种标准化热电偶，其中，K型热电偶即镍铬-镍硅热电偶, 是目前用量最大的廉金属热电偶,其使用温度为-270℃~1372℃。
（二）、热电偶的测温原理及冷端补偿
… …不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。制定分度表时，热电偶一端位于0℃，这一端叫做参考端，或者叫做冷端、自由端；热电偶另一端位于被检测区域，这一端叫做测量端，或者热端、工作端。此时热电偶产生的热电势写作EAB(T,0)，即热端温度为T℃，冷端温度为0℃时的热电势。
温度检测时如果保持冷端为0C，根据检测到的热电势及K热电偶的分度表，即可查出热端的温度。但在日常的温度检测中，很难有条件保持冷端温度为0C，热电偶实际产生的热电势EAB(T,T0)。其中T0为检测现场的冷端温度。为使用分度表得到检测的温度，需要使用热电偶的中间温度定律，见公式2.

… …由公式2可见，EAB(T0，0)是冷端温度T0的函数，由于检测现场环境温度是随四季气候变化而变化的，所以冷端温度不恒定。为了提高温度测量的精确性所以因此需要对热电偶冷端进行处理。即冷端补偿。
（三）k型热电偶的集成温度传感器冷端补偿法
… …热电偶的冷端补偿方法较多。常见的有补偿导线法、电桥补偿法及集成温度传感器法等。其中集成温度传感器冷端补偿法电路如下图。该电路采用LM35集成温度传感器芯片进行冷端补偿。LM35温度传感器芯片的输出电压与被测温度呈线性变化，在-50℃~150℃范围内温度每升高1℃则LM35相应的输出电压增加10mV。K型热电偶温度每升高1℃相应的电压增加40μV，此时热电偶与LM35的输出电压随温度变化并不一致。为了使冷端U1的热电势与热电偶随温度变化一致必须对LM35的输出电压用电阻R2进行分压，调节电阻R1使冷端的电势E=Vout/244。经过电阻R2对LM35的输出电压进行分压处理后，冷端的电势变化与热电偶随温度的变化一致即完成温度补偿。与其它几种方法相比此方法可操作性好，易于实现，可靠性强，测量精度高。

图1 K型热电偶的集成温度传感器冷端补偿电路
（四）基于MAX6675及单片机的温度计的设计
… …MAX6675是由Maxim公司推出的一款K型热电偶数字转换芯片，内部集成有热电偶断线检测电路、冷端补偿电路及信号调节放大电路，可将温度信号转换成12位数字量，温度分辨率达0.25℃；有串行SPI接口，可通过该接口与单片机进行数据传输。冷端补偿的温度范围-20℃～80℃。
我们使用MAX6675及STC89C52单片机，设计了K型热电偶温度计，温度计的框图如下图所示。K型热电偶接在 MAX6675 的 T＋、T－端，STC89C52单片机与MAX6675通过SPI接口相连，单片机系统通过4位LED 数码管显示测量温度，分辨力为 0．1℃。
… …由图可见，MAX6675的使用简化了热电偶测温的软硬件设计，具有测量温度精度高，可靠性好等优点，因而该器件是将热电偶测温理想选择。

实验仪器与装置:

… …YB1731A直流稳压电源、VC8045-II台式数字万用表、单片机开发板、MAX6675模块、LM35集成温度传感器、水银温度计、铁架台、K型热电偶、冰水混合物及沸水、烧杯（1000ml）、电炉子、保温瓶

数据测量与分析:

一、K型热电偶热电势的测定

图3 K型热电偶热电势的测定示意图
1—烧杯 2—水银温度计 3—热电偶 4—补偿导线 5—铜质导线 6—毫伏表
7—保温瓶 8—冰水混合物 9—试管 10—冷端
1、用炒冰机制作冰块，将凉水及冰块放至暖瓶中，然后盖壶塞密封放置一小时以形成冰水混合物。
2、如上图3，烧杯内有大半杯水，用电炉子将水烧至100℃沸腾，然后将烧杯从电炉上取下放置桌面上。将K型热电偶热端置于100℃热水中，冷端置于冰水混合物中，使用电压表每隔5℃降温测量K型热电偶的输出热电势，并将数据填入表1中，计算出测量的热电势和K型热电偶分度表的相对误差，并画出K型热电偶温度-热电势曲线。


图4 K型热电偶温度-热电势曲线

二、基于电压式集成温度传感器LM35模块的K型热电偶的冷端补偿

按照图1连接电路， K型热电偶的热端置于100℃的热水中，调节电位器R2使得热电偶两端输出热电势等于K型热电偶冷端为0℃时的输出热电势。使用电压表每隔5℃降温测量K型热电偶的输出热电势。将所测数据计入表2。并画出补偿后K型热电偶温度-热电势曲线。



图4 K型热电偶温度-热电势曲线

二、基于电压式集成温度传感器LM35模块的K型热电偶的冷端补偿

… …按照图1连接电路， K型热电偶的热端置于100℃的热水中，调节电位器R2使得热电偶两端输出热电势等于K型热电偶冷端为0℃时的输出热电势。使用电压表每隔5℃降温测量K型热电偶的输出热电势。将所测数据计入表2。并画出补偿后K型热电偶温度-热电势曲线。

三、基于MAX6675和单片机的温度计的测试

… …将K型热电偶热端置于100℃的热水中，冷端接入在 MAX6675 的 T＋、T－端，每隔5℃降温记录单片机温度计的显示值与水银温度计显示的温度值，将所测数据计入表3。

结论：

1、使用水银温度计重新测定了实验室K型热电偶的热电势，实测结果中，多数数据与K型热电偶的分度表相对误差为1%左右，极少数数据相对误差较大，最大5.09%；
2、使用电压型集成温度传感器LM35设计了热电偶冷端补偿电路，补偿后的实测结果表明，多数数据与K型热电偶的未补偿实测数据相对误差为1%左右，极少数数据相对误差较大，最大8.50%；
3、使用MAX6675及单片机设计了基于K型热电偶的温度计，实测结果表明，多数数据与水银温度计的测量结果相对误差小于1%，最大相对误差为 2.73%。
实验结果表明，我们设计的K型热电偶冷端补偿电路是有效的。基于K型热电偶，使用MAX6675模块及单片机设计的温度计检测精度较高。

制作成本（明细）：

单片机开发板：58元； MAX6675模块：21元； LM35集成温度传感器：8元
1、中间温度定律：热电偶在结点温度为T，0时的热电势等于该热电偶在结点温度为T, 和,0时的热电势之和

2、中间导体定律：热电偶回路中接入第三种导体后，只要第三种导体的两端温度相同，就不会影响热电偶贿赂(回路)的总热电势
3、热电偶冷端补偿：冷端温度是测定的环境温度，而环境温度很难为0摄氏度，所以测得的毫伏值（热电势）加上冷端补偿值才是真正的毫伏值（热电势）
4、K型热电偶材料：镍铬合金（正极）和镍硅合金（负极）
常见热电偶有K型，N型，E型等， K型热电偶是一种常用廉价热电偶，它的热电势大，因而灵敏度很高，它的线性也很好，测温范围-270～1370 C，可以满足绝大部分的检测需求。本次实验我们使用的K型热电偶是学校实验室里常备温度传感器。
国标GB/T16839.2-1997规定了热电偶的允差等级，II级的K型热电偶，在零下四十摄氏度到零上三百三十摄氏度的温度范围内，允差值为正负2.5℃。在333–1200℃温度范围内，允差值为正负0.75%t。
K型热电偶误差：可能是生产时合金的比例不是很标准
K型热电偶材料主要采用的是镍铬－镍硅合金构成，正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3
怎么分热电偶正负极：红色是正，绿色是负。
5、补偿导线：（优点：提高线路柔韧性，连接方便）
在一定温度范围内，补偿导线的热电性能与热电偶的热电性能很相近，按照中间温度定律，热电偶测温回路中的总热电势值只与冷端和热端温度有关，所以可以用与热电偶热电性能相近的补偿导线将热电偶的冷端延长
6、使用LM35集成温度传感器作为冷端补偿，LM35为电压输出型集成温度传感器，测温范围为-50℃~150℃，温度每上升1℃,输出电压增加10 mV，而K型热电偶的灵敏度为40μV/℃。为了使冷端t1电势随温度变化与K型热电偶变化一致，对LM35输出电压进行分压处理，调节RP1使t1点电势E= VOUT/244，此时冷端电势变化为40μV/°C，即可达到冷端温度补偿的目的。

为什么焊接电路电阻比电路图多一个：没有刚好合适大的电阻，所以用其他阻值电阻替换的
7、MAX6675是由Maxim公司推出的一款K型热电偶数字转换芯片，内部集成有热电偶断线检测电路、冷端补偿电路及信号调节放大电路，可将温度信号转换成12位数字量，温度分辨率达0.25℃；有串行SPI接口，可通过该接口与单片机进行数据传输。冷端补偿的温度范围-20℃～80℃。
SCK：串行时钟输入（输入输出是相对于6675说的）
SO:串行数据输出
当CS引脚从高电平变为低电平，max66675将向外传输数据
当CS引脚从低电平变为高电平，max66675将进行新的转换

SPI接口：串行外设接口，是一种高速的全双工，同步的通信总线
全双工：是指可以同时进行信号的双向传输，指A向B传输数据的同时，B向A传输数据，是瞬时同步的

以上就是本文所有内容，希望能帮到大家！！！