一种基于89C52的热电偶实验仪的研制

　　1　引　言

　　热电偶作为温度测量的一种重要手段,由于其测量范围广、可靠性高、构造简单、使用方便等特点,使他的应用几乎遍及各个工业行业。热电偶测温与校准实验更是许多理工科大学生要掌握的基本实验。虽然也有许多厂家开发此类实验设备,但普遍存在以下缺点:

　　(1)温度控制不理想,实验的时间不易掌握。不少厂家的实验设备中是用电炉加热水、锌和锡等材料,靠加热和自然冷却来控制温度的变化。

　　(2)实验过程危险。加热后的锌水、锡水等对学生来说非常危险,再加上电炉也容易造成事故。

　　(3)对数据的采集与处理靠手工操作,有些还用电位差计等淘汰仪器测量,效率低,和现代热电势流行测量方法不一致。

　　(4)没有强调热电偶的应用性,仅做“标定”。

　　为了促进实验教学改革,本文根据热电偶测温与校准实验的要求与特点,设计出一种基于89C52的微机控制的新型热电偶实验仪。

　　2　基本原理及设计思想

　　热电偶的工作原理是温差电效应。当制作热电偶的两种材料选定后,他的温差电动势E(t,to)是两接点温度的函数差,即E(t,to) =f(t) -f(to)。f是与材料有关的某个函数,t为热端温度,to为冷端温度。若to保持不变,则热电势E(t,to)就是t的单值函数,通过测量E,根据事先标定的E t关系,就可求出温度t。E t关系很复杂,一般把E t关系列成表格,即分度表,由分度表确定温度。可用一个多项式近似表示这种关系:

　　用实验方法确定一个热电偶的E t关系称为热电偶的校准。对热电偶,校准工作必不可少。因为热电偶在使用过程中,尤其在高温下使用或长期工作时,由于热电势不稳定,将产生示值漂移,因此需要进行定期检定或修正。无论是分度还是检定一对热电偶的热电动势特性,一般需要一台具有足够精确度的测量热电偶热电动势的仪表或装置;一个具有适当精确度的温度标准器;一台能使热电偶与温度标准器产生相同温度的可控温度装置;以及一种能在分度温度点进行插补或外推的方法[1]。本实验根据校准得到的数据可求出经验方程E=f(t)。这种问题称为方程的回归问题或称曲线拟合,一般采用最小二乘法[2]。这一过程需要大量的计算,手工不便完成。

　　为实现上述实验过程,在热电偶的测温端必须提供一个均匀的温度环境,且温度可以大范围变化(本实验的温度范围以0～500℃为宜)。为此,本文设计一个双层的电炉加热装置。

　　电炉由导热性能良好的金属圆柱做成,在圆柱的中心挖圆孔,用以放置热电偶;在电炉的外部有保温层。电炉的温度可以由微控制器控制。测试用的标准温度计可由一个标准的热电阻代替,热电阻输出电动势的测量是由一个高精度的ADC转换成数字量进行测量。电炉的温度可以保持在一个预先设定的值,测量时可将标准热电阻和被测热电偶同时放在炉内,由标准热电阻指示炉温,然后测出待测热电偶在该温度下的热电势。由于测量时热电偶的冷端是在室温下,所以要进行冷端温度补偿。其公式为: