热电偶温度检测系统设计与应用

热电偶温度检测系统设计与应用

吴智萍

（青海黄河上游水电开发有限责任公司西宁发电分公司青海西宁810000）

摘要：工业生产对环境温度要求较高，为保证温度在生产范围内，需要利用仪器进行环境测温。而最常的测温仪器就是热电偶温度计。热电偶的优势较多，能够更精确的测出环境温度来指导生产作业。选择Ｋ型热电偶温度传感器作为检测元件，针对热电偶的特点，利用ＡＤ５９０测量室温进行冷端补偿，高精度低漂移集成运放ＯＰ０７对热电偶电压放大后经ＩＣＬ７１０９进行Ａ／Ｄ转换送ＡＴ８９Ｃ５１单片机，通过ＲＳ２３２串口发送到上位机。在上位机中利用专用软件对温度数据分析处理，实现温度数据和波形的实时显示并最终生成隧道烘箱的温度检测报告。测试结果表明，该设计检测温度的精确度高可靠性好，在隧道烘箱的温度检测方面，具有很高的实用性。

关键词：热电偶；温度检测

引言

工业生产中温度是必不可少的控制因素，对工业生产的意义重大。为了实现精确化控制温度，热电偶测温仪表应用越来越广泛。热电偶温度传感器能够直接与环境接触，省去中间介质的传递，温度测量更精确，误差更小。而且热电偶结构简单，造型可根据需求随意变化，操作简单，性价比很高。但是，热电偶的使用需要严格的操作规程，一旦使用不规范，或保养不到位，热电偶就会产生温量计量误差，给工业生产带来困扰。因此，对热电偶的误差来源进行分析并寻找解决对策是十分必要的。

1热电偶的工作原理

随着科技的进步，人类文明的发展，人们越来越追求高品质的生活，对各类产品的品质要求也越来越高。对于温度计这一类产品，要提高产品品质，测温和控温就显得尤为重要。在日常的温度测量当中，我们大部分人都会使用热电偶温度测量仪器进行测量，主要是热电偶结构简单，测量温度较为精确，而且生产加工较为便捷、安全等，优点诸多。根据热电偶的接触式测量方法来看，热电偶在测量中是具有超强敏感性的源传感器，而且不用再外加电源，使用起来方便快捷。热电偶的测温原理，就是通过使用两种材质不同的导体组成闭合回路。如果热电偶两端温度不同，就会产生电流。电流流动会产生电动势，也就是我们称为的热电势。在热电势的作用下，我们就可以根据温度计两端之间热电势和温度形成的函数计算，得出热点偶分度表，温度测量也就完成了。但有一些需要注意的是，不同的热电偶形成的热点偶分度表也不一样。

1.1热电偶的规定长度

根据JJF1637-2017廉金属热电偶校准规范规定：热电偶的长度不小500MM。对热电偶的长度做出相关规定，是因为需要考虑热电偶在离开热区后，需要足够宽的温度梯度区，热电偶产生的热电动势，也需要产生在这一区域。这就是温差产生的电动势—热电效应。必须要有效阻止热端温度传输到冷端，最简单有效的方法就是热电偶足够长。

1.2热电偶连续性规定

国际电工委员会标准IEC584-2和国家标准TB/T16839.2-1997《热电偶第2部分，允差》规定，为进行实验报告测量端和参比端间应无导体不连续的情况。

1.3热电偶的外观要求

对于热电偶稳定测量仪器来说，外观也是一个重要因素。JJF1637-2017规定，新制的热电偶的电极，应平直、无裂痕、直径均匀，使用中热电偶的电极不应有严重腐蚀的缺陷。TTL/LUMAX公司规定，使用过的热电偶将不再用于测量，因为其测量结果已无意义。

2电路设计

2.1温度传感器选择

热电偶是测量温度时常用的传感器，它是根据热电效应原理制作而成。当不同材质两导线组成的闭合回路两端（冷端和热端）存在温度差时，两端之间就存在热电动势，根据热电动势与被测温度的对应关系（热电偶分度表），即可通过热电动势反映被测温度参数。热电偶传感器对温度变化具有很短的响应速度，并且由于传感器要承受高达４００～５００℃的灭菌温度，所以本设计选用Ｋ型（镍铬－镍硅）热电偶作为检测系统的前端采集传感器。其具有测量范围广（０～１０００℃）、线性度好、热电动势较大、灵敏度高等特点。为了提高检测精度，本设计采用１６个Ｋ型热电偶同时对隧道烘箱中不同位置进行检测。

2.2多通道测量转换

要准确的反应隧道烘箱内温度分布，需要对其进行多点温度测量。为了同时控制１６个Ｋ型温度传感器分时传回隧道烘箱内不同位置的温度数据，选用两片１６选１模拟开关ＣＤ４０６７。１６支热电偶的冷热两端分别与ＣＤ４０６７的Ｙ０～Ｙ１５端口相连，片选端由Ａ０～Ａ３４个端口控制，控制１６个热电偶传送出相应位置的温度信号。分时传送出的电压信号由ＣＤ４０６７的Ｉ／Ｏ端口输出到后续电路。

3热电偶温度计量的常见问题

3.1热电偶安装不合理引起的问题

热电偶在对待测物质进行测温时，位置的选择十分的重要，对其精确度影响较大。一旦位置安装不对，插入深度不达使用标准，热电偶工作误差就会随之增大。而且由于没同物质的导热性能不同，应用热电偶时，要对插入深度进行校正与调整，并反得试验来确度深度，否则误差控制很难到位。

3.2热电偶的响应问题

热电偶进入待测量物体后，其指示值的响应时间大大超过标准响应时间，这就是热电偶的响应问题。热电偶的接触式插入测量，待测物体与测量端的温度必须要求没有偏差，电信号的转化才得以顺利进行，这些响应问题会直接影响热电偶的灵敏度。这种情况下，灵敏度低的问题，还会受其构造和使用环境等因素的影响，如静止测量，热电偶灵敏度较高，精确也会提高。如果待测物体是动态变化的，热电偶的灵敏度不支持其保持与之同步变化，动态响应误差就随之产生，测量值出现偏差。

3.3测量系统漏电引起的问题

热电偶结构存在缺陷，如绝缘层老化开裂而漏电，温度差形成的热电流损失，热电势受影响，导致测量端出示的温度值与实际温度存在温差误差，甚至出现测量值无法显示的故障。

4热电偶温度计量常见问题的处理措施

4.1合理选择测温点与插入深度

热电偶测温，位置和深选择至关重要。为保证测量准确，要对待测环境进行数据采集分析总结，寻找最佳的检测点来消除测温误差，从而达到温度监测和控制的作用。对于最佳的插入深度，要从热电偶本身结构、材质和保护材质、密封性等方面综合考虑，进行深度检测实线并总结数据变化规律，利用其它工具对其进行分析，从而将最佳深度数据确定下来。对于测量环境的不同，热电偶插入深度确定同样需要实验确定，才能有效避免测温误差超差问题的出现。

4.2热电偶动态响应问题修正

热电偶动态响应的强弱，是其灵敏度的表现。想要修复动态响应问题，应该从如何提高其敏感度来解决。想要解决灵敏度问题，可以从加快热传感响应速度方面着手，或者减少滞后时间来进行修复。实验结果表明，热电偶的热响应速度越快，其接触面积越大，而接点体积越细小。所以，矫正时，可以通过改变其外观，使热电偶接点体积更精细化。另外，增大接触面积，减小热电偶的热响应滞后时间。不过，还是建议多使用导热性能较强，热响应速度快的热电偶传感器，这样才能更大限度地将误差缩小至标准范围，更大地发挥热电偶的性能。

4.3测量系统漏电问题的修正

热电偶测温系统有电流变，绝缘层容易老化，必须定期维护、检查和保养，才能避免漏电误差。此外，还可增大热电偶直径，加厚保护层等方法来避免误差超差。

结语

根据社会发展的速度，未来社会对生产速度、生产效率、生产质量都会有更高的要求。可见，在工业生产中，自动化会越来越受追捧，实现自动化的范围也会越来越广。自动化系统的设计与普及使用，将会遍布各类生产过程中，在此系统下的测温技术，是最为重要的组成结构。我们需全面了解测温中热电偶的使用特点、材质、性能，保障生产的效率及利益。

参考文献

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