热电偶测温系统

《热电偶测温系统实训设计书）

系 别： 电气工程系

专 业： 电气自动化

班 级： 铁道自动化101班 组 别： 第一组

小组成员： 李舟宇 杨帅杰

卢艳茹 谢 升

指导老师： 胡国良

日 期：2012/4/12

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目录

第一章 热电偶测温技术

1.1 1.2 1.3 1.4

热电偶特点

热电偶工作原理

热电偶的基本定律热电偶的材料及种类

第二章 重要元件介绍

2.1 LM324介绍

2.2 LM324引脚图（管脚应用图） 2.3 LM324的特点 2.4 ICL基本特点 2.5 ICL7107各引脚图 2.6 ICL7107引脚功能 2.7 ICL工作原理 2.8

ICL7107的应用

第三章 实验过程及数据

3.1 实验过程及数据

附录

第一章 热电偶测温技术

1.1 热电偶特点

热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，在工业用

温度传感器中占有及其重要的地位。它结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传。该热电偶测温仪的软件用C语言编写，采用模块化结构设计。

1.2 热电偶的基本定律

1，均质导体定律

由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。

可见，热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。若热电极材料不均匀，由于温度梯存在，将会产生附加热电势。

2，中间导体定律

在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。

应用：依据中间导体定律，在热电偶实际测温应用中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统。 有人担心用铜导线连接热电偶冷端到仪表读取mV值，在导线与热电偶连接处产生的接触电势会使测量产生附加误差。根据这个定律，是没有这个误差的！

3，中间温度定律

热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。Tn称中间温度。 应用：由于热电偶E-T之间通常呈非线性关系，当冷端温度不为0℃时，不能利用已知回路实际热电势E（t,t0）直接查表求取热端温度值；也不能利用已知回路实际热电势E（t,t0）直接查表求取的温度值，再加上冷端温度确定热端被测温度值，需按中间温度定律进行修正。初学者经常不按中间温度定律来修正！

热点偶原理图

4，参考电极定律

这个定律是专业人士才研究、关注的，一般生产、使用环节的人士不太了解，简单说明就是：用高纯度铂丝做标准电极，假设镍铬-镍硅热电偶的正负极分别和标准电极配对，他们的值相加是等于这支镍铬-镍硅的值。

1.3 热电偶工作原理

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这

种电动势称为热电势。热电偶就

热电偶

是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

1：热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；

2 ：热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；

热电偶

3：当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，

两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

1.4 热电偶的材料及种类

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是

指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶中国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。

常用热电偶材料

正极 负极

S 铂铑合金（铑含量10 %） 纯铂 0-1400 R 铂铑合金（铑含量13 %） 纯铂 0-1400

B 铂铑合金（铑含量30%） 铂铑合金（铑含量6% ） 0-1400 K 镍铬镍硅 -200-+1000 T 纯铜 铜镍 -200-+300 J 铁 铜镍 -200-+600

N 镍铬硅镍硅 -200-+1200 E 镍铬 铜镍 -200-+700

热电偶的种类：装配热电偶，铠装热电偶，端面热电偶，压簧固定热电偶，高温热电偶，铂铑热电偶，防腐热电偶，耐磨热电偶，高压热电偶，特殊热电偶，手持式热电偶，微型热电偶，贵金属热电偶，快速热电偶，钨铼热电偶，单芯铠装热电偶等等。

从理论上讲，任何两种不同导体（或半导体）都可以配制成热电

热电偶

偶，但是作为实用的测温元件，对它的要求是多方面的。为了保证工程技术中的可靠性，以及足够的测量精度，并不是所有材料都能组成热电偶，一般对热电偶的电极材料，基本要求是：（1）、在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；（2）、 电阻温度系数小，导电率高，比热小；（3）、测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈

线性或接近线性的单值函数关系；（4）、材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。

类别

热电偶公称压力：一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂。热电偶最小插入深度：应不小于其保护套管外径的8－10倍（特列产品例外）绝缘电阻：当周围空气温度为15－35℃，相对湿度

第二章 重要元件介绍

LM324

2.1 LM324介绍

LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的

标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输

入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

2.2 LM324引脚图（管脚应用图）

参数描述

2.3 LM324的特点 1. 短路保护输出

2. 真差动输入级

3. 可单电源工作：3V-32V 4. 低偏置电流：最大100nA 5. 每封装含四个运算放大器。 6. 具有内部补偿的功能。 7. 共模范围扩展到负电源 8. 行业标准的引脚排列 9. 输入端具有静电保护功能

ICL7107

2.4 ICL基本特点

1、

ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1 个字。

能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。

在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。

2、

3、

4、

能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。

5、 输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。

6、 整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED 7、 共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。

8、 噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。

9、 芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。

10、 不设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数

数码管公共阳极接V+.

11、 可以方便的进行功能检查。

2.5 ICL7107各引脚图

2.6 ICL7107引脚功能

V＋和V-分别为电源的正极和负极，

Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定： Fosl = 0.45/RC

COM ：模拟信号公共端，简称“模拟地”，使 用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

TEST ：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。

VREF＋ VREF- ：基准电压正负端。 CREF：外接基准电容端。

INT：27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件

IN＋和IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。

AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz 。如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。 BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电流( idling current )是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。

2.7 ICL工作原理

双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。 它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。时钟信号源的标准周期Tc 作为测量时间间隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。其振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC 。

2.8 ICL7107的应用

ICL7107 安装电压表头时的一些要点：按照测量＝±199.9mV 来说明。

1.辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。 也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。 许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。

知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依次是第 2 至第 40 引脚。（1 脚与 40 脚遥遥相对）。

2.牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在 －3V 至 －5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 ±199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成"0"信号输入，以方便测试。

3.注意芯片 27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。

4.注意接地引脚：芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30 脚或 35 脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。－－ 本文不讨论特殊要求应用。

5.负电压产生电路：负电压电源可以从电路外部直接使用 7905 等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个 +5V 供电就可以解决问题。比较常用的方法是利用 ICL7660 或者 NE555 等电路来得到，这样需要增加硬件成本。我们常用一只 NPN 三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片 38 脚的振荡信号串接一个 20K －56K 的电阻连接到三极管"B"极，在三极管"C"极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的"C"极电压为 2.4V－ 2.8V 为最好。这样，在三极管的"C"极有放大的交流信号，把这个信号通过 2 只 4u7 电容和 2 支 1N4148 二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给 ICL7107 的 26 脚使用。这个电压，最好是在 －3.2V 到 －4.2V 之间。

6.如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有"短路"或者"开路"故障，那么，电路就应该可以正常工作了。利用一个电位器和指针万用表的电阻 X1 档，我们可以分别调整出 50mV,100mV,190 mV 三种电压来，把它们依次输入到 ICL7107 的第 31 脚，数码管应该对应分别显示 50.0,100.0,190.0 的数值，允许有 2 －3 个字的误差。如果差别太大，可以微调一下 36 脚的电压。

7.比例读数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是 100.0 ，通常在 99.7 － 100.3 之间，越接近 100.0 越好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少 mV 无关，也无法在外部进行调整这个读数。如果差的太多，就需要更换芯片了。

8.ICL7107 也经常使用在

±1.999V 量程，这时候，芯片 27,28,29 引脚的元件数值，更换为 0.22uF,470K,0.047uF 阻容网络，并且把 36 脚基准调整到 1.000V 就可以使用在±1.999V 量程了。

9.这种数字电压表头，被广泛应用在许多测量场合，它是进行模拟－数字转换的最基本，最简单而又最低价位的一个方法，是作为数字化测量的一种最基本的技能。

ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。这里我们介绍一种她的典型应 用电路--数字电压表的制作。其电路如附图。制作时，数字显示用的数码管为共阳型，2K可调电阻最好选用多圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，其 它器件选用正品即可。该电路稍加改造，还可演变出很多电路，如数显电流表、数显温度计等.

第三章 实验过程及数据

3.1 实验过程

调试注意事项

1. 拿到电源后，先试各电源电压是否良好，如有问题，立即相老师反

应。

2. 板子上各电源接线，在接电源之前，应检查其输入电阻，不得小于

20K.

3. ICL7107片子的第37#脚与+5v电源点一下，数码管显示“1日日.日”

表明后端显示电路无问题。

4. 杯中的水面不应低于70%高度。

5. 热电偶进板子应焊接，不要挂接。

调试过程

测试工具：螺丝刀 电热水杯 温度计 5V及正负直流电源 热电偶等

1. 先检查电源，电源正常，红发光管稳定发光即可，再利用万用表检

查各电压输入线对地的输入电阻应大于2k，正常才接上电源。

2. 照原理接好电源线，热电偶，用热水杯接好一杯水（杯中水高于70%）。

在室温下开始加热，将热电偶和温度计放入水中同一位置，用温度

计测量热水升温的数据，并记录下来，同时记录电路板显示的温度，如此一次，测的数据与实际温度差别很大，进行下一步调试

。

3. 准备好另一杯未加热的水，继续找第一步调试，并不断调整至200k、

500k、5k的电位器，使电路板显示和实际温度相近。

4. 当水温接近100℃时，调试好的电路板的显示为100℃

5. 将热电偶和温度计放入室温的水中，使电路板显示温度下降，并记

录温度误差，调试电路板使其显示为室温25℃

6. 将热电偶放入开水中，使电路板温度上升，并记录温度误差，调试

电路板使其显示与开水温度一样100℃

7. 多次调试第4、5过程，使电路板温度和实际温度误差减小到最低。

8. 用热水杯接好另一杯水，在室温下开始加热，将加热点偶合温度计

放入水中同一位置，用温度计测量热水升温的数据，并记录下来，

每5℃记录一次，同时记录电路板显示的温度。

9. 最后一次测量温度与实际温度相差很小，调试成功

实验数据表