數(shù)字溫度傳感器在熱電偶冷端補償?shù)膽梅治?/h1>
2012-04-29 00:00:00王昆孫廣鵬劉麗張傳成曹亞楠
科技與生活 2012年11期
摘 要 本文著重闡述了熱電偶冷端補償?shù)幕驹硪约盎镜膽梅椒ê筒僮鞒绦颍瑫r介紹了數(shù)字式溫度傳感器的基本構成、工作原理以及相關注意事項等各個方面的問題。在對基本原理進行闡述的基礎上提出了實現(xiàn)數(shù)字溫度傳感器熱電偶冷端補償?shù)幕痉椒ǎ⑶覍鞲衅髋c熱電偶冷端溫度補償之間的互相匹配的關系做出了詳細闡述。
關鍵詞 數(shù)字溫度；傳感器；熱電偶；冷端補償；應用；分析
中圖分類號 TP212 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)061-0116-01
數(shù)字溫度傳感器的應用范圍是很廣泛的，涉及到了生產(chǎn)與生活的很多個方面。其中熱電偶是目前溫度測量中使用頻率較高并且受到廣泛認可的傳感器之一，為了更好的保證其使用的質(zhì)量與效率我們應該對數(shù)字溫度傳感器在熱電偶冷端補償?shù)膽蒙献龀龈由钊氲难芯颗c分析。從理論上來講，熱電偶傳感器的輸出電勢是兩結點溫度差的函數(shù)。但是，輸出電勢是否為被測溫度的單一函數(shù)是一個較為關鍵的問題，為了保證輸出的電勢是被測溫度的單一函數(shù)，應該進行適當?shù)奶幚?，這是保證所測溫度與實際溫度相接近的重要因素。一般情況下將熱電偶參比溫度端保持為0℃。在各項理論研究我們認為各種型號熱電偶的分度表所列數(shù)值都應該以參比端溫度為0℃為基準制成，這是關系到實際應用效果是否良好的重要因素。但是，在進行實際操作的過程中具有一定的難度。熱電偶冷端補償問題便是為了解決這一難題應運而生的。
1 熱電偶冷端補償?shù)幕纠碚撝魏脱芯楷F(xiàn)狀
熱電偶進行溫度測量的基本原理是一對金屬A、B組成閉合回路，將金屬的接點a、b置于不同溫差和場強中，在此條件下將會產(chǎn)生溫差電效應。由于在此閉合回路中形成了電流，因此在回路中電流作用下，兩接點之間會產(chǎn)生相應的熱電勢，通過測定該熱電勢的大小經(jīng)過相應的關系匹配就可以實現(xiàn)溫度的測量，但是兩種金屬必須是異質(zhì)金屬。在實際應用中應該滿足一定的基本條件這種方法才具有可行性，才會測量出與實際接近的溫度。這些基本條件主要包括以下幾個方面，首先要選擇合適的導線，導線的選用應該滿足與熱電偶相配套的基本條件，然后補償導線將熱電偶冷端延伸到控制室之后便可以與變送、顯示、記錄、調(diào)節(jié)儀表或數(shù)據(jù)采集卡等設備相連，進行溫度監(jiān)測與控制。
在實際應用中常常使用以下公式對熱電勢與溫度之間的數(shù)值關系進行確定。EAB(t，t0)=EAB(t，0)-EAB(t0，0)。這一公式在應用與計算過程中涉及到中間溫度定律，我們應該在遵循中間溫度定律的前提下進行應用。實際應用中我們認為在冷端溫度恒定的條件下可以通過對于熱電偶輸出的熱電勢的確定得到熱電偶冷端溫度，然后再由熱電偶冷端溫度為0℃時的數(shù)值計算出熱電勢。得到此數(shù)值之后還需要將所得的數(shù)值在熱電偶分度表進行匹配，得到實際熱電偶熱端溫度。在此計算過程中存在一種特殊情況應該引起我們注意。如果出現(xiàn)冷端溫度波動的現(xiàn)象，則應該在遵循中間導體的基礎上通過補償導線將冷端引到溫度恒定的位置，然后采用上述方法得到熱電偶被測端溫度。
2 DS18B20數(shù)字式溫度傳感器基本工作原理與基本特點
DS18B20作為一種單線式的數(shù)字溫度傳感器，其實際應用的范圍較為廣泛，具有準確度高等優(yōu)點，受到了普遍的認可與歡迎。這一類型的傳感器是在DS1820系列溫度傳感器的基礎上發(fā)展起來的，既具有傳統(tǒng)傳感器的共同優(yōu)點，同時還具有其自身的獨特優(yōu)勢。其相對于傳統(tǒng)的DS1820傳感器的先進之處便是其測量的結果可以被直接轉(zhuǎn)換成9到12位二進制數(shù)字信號輸出，這種信號輸出的方式不但更加準確而且更加有利于直接被計算機識別，信息傳輸?shù)姆绞胶驮O備簡單，不需要過多的裝備只需要一根信號線即可。另外，此類溫度傳感器不但可以用于多點測溫還可以用于單點溫度的測量，在此基礎上其可以使用的范圍更加廣泛，成為被認可程度較高的一種傳感器。DS18B20的具體使用應該遵循一定的流程和操作守則，其主機控制的溫度轉(zhuǎn)換應該具有一定的程序和方法，主要的步驟如下首先應該對DS18B20進行復位，這是進行讀寫的首要條件，在進行讀寫之后只有復位成功才可以進行ROM指令的發(fā)送，之后才進行RAM指令的發(fā)送。只有這些操作全部完成之后才可以對其進行操作。
另外，由于其輸出的為TTL電平數(shù)字信號，因此測量誤差較低并且使用簡便。其測量范圍保持在-55℃~125℃，準確度因為測量溫度的不同有所差異。在-10℃~85℃范圍內(nèi)，其準確度為±0.5℃，而在其他溫度范圍準確度為2℃。
DS18B20溫度傳感器的工作程序是一個從初始化經(jīng)過ROM操作指和存儲器操作指令一直到數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹碗s過程。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。復位必須按照相關的要求進行，每項操作都應該遵循基本的要求，其操作要領如下CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。
具體使用應該遵循以下標準，將數(shù)字傳感器DS18B20置于熱電偶的冷端，在相應的補償軟件進行運行時應該與熱電偶的型號進行充分地結合，選擇與熱電偶的型號相適應的補償軟件。數(shù)字式溫度傳感器輸出的反映熱電偶冷端溫度的數(shù)字量讀入單片機，在存儲器存儲單元的數(shù)據(jù)表中讀出EAB(t0，0)，得到對應的冷端溫度的熱電勢，再將熱電偶兩端輸出的熱電勢經(jīng)放大和濾波，由
A/D轉(zhuǎn)換器輸入單片機，將其數(shù)字量轉(zhuǎn)換成熱電偶在冷端溫度為t0時實際輸出的熱電勢EAB(t，t0)，按溫度定律公式進行計算，再將單片機運算后得的值通過程序存儲器的數(shù)據(jù)表格查出對應溫度t，得出被測溫度的真實值。DS18B20使用方便，不需外接任何其他電路，能夠完成溫度的檢測和A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間短，功耗低，能夠滿足各種領域溫度測量的要求。
3 結束語
如何更加準確與更加科學的測量溫度是關系到很多生產(chǎn)過程以及生產(chǎn)工藝的重要因素，會從很大程度上影響到生產(chǎn)的效益。在很多生產(chǎn)工藝實際應用過程中對溫度測量的精確度要求很高，被測溫度的精確度至少應該高于0.5℃甚至更高。這些新的要求給傳統(tǒng)的冷端補償方法提出了嚴重的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的冷端補償方法已經(jīng)不能夠滿足實際需要。因此，在傳統(tǒng)數(shù)字傳感器的基礎上發(fā)展起來的新型單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20便更加具有應用的價值，其體積較小、結果更加準確并且傳輸?shù)木嚯x較遠。這類傳感器不僅可以解決熱電偶高準確度冷端補償，而且結果更加可信，可以直接進行計算機輸出。這些優(yōu)點以及特點給使用單位帶來了極大的福音，不但從很大程度上降低了系統(tǒng)成本，而且設備的體積更小更加易于操作，值得進行推廣使用。
參考文獻
[1]付東旭，黃成軍，郭燦新等.采用數(shù)字溫度傳感器進行熱電偶冷端補償?shù)臏囟葴y量系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2011，11.
[2]王學梅，金廣鋒.數(shù)字溫度傳感器DS18B20在糧倉溫度智能控制系統(tǒng)中的應用[J].科技廣場，2009，05.
[3]林海軍，滕召勝，楊圣潔等.數(shù)字溫度傳感器自適應動態(tài)補償方法[J].儀器儀表學報，2009，01.
[4]王淑英.集中熱電偶冷端補償方法比較研究[J].科技視野，2009，03.
摘 要 本文著重闡述了熱電偶冷端補償?shù)幕驹硪约盎镜膽梅椒ê筒僮鞒绦颍瑫r介紹了數(shù)字式溫度傳感器的基本構成、工作原理以及相關注意事項等各個方面的問題。在對基本原理進行闡述的基礎上提出了實現(xiàn)數(shù)字溫度傳感器熱電偶冷端補償?shù)幕痉椒ǎ⑶覍鞲衅髋c熱電偶冷端溫度補償之間的互相匹配的關系做出了詳細闡述。
關鍵詞 數(shù)字溫度；傳感器；熱電偶；冷端補償；應用；分析
中圖分類號 TP212 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)061-0116-01
數(shù)字溫度傳感器的應用范圍是很廣泛的，涉及到了生產(chǎn)與生活的很多個方面。其中熱電偶是目前溫度測量中使用頻率較高并且受到廣泛認可的傳感器之一，為了更好的保證其使用的質(zhì)量與效率我們應該對數(shù)字溫度傳感器在熱電偶冷端補償?shù)膽蒙献龀龈由钊氲难芯颗c分析。從理論上來講，熱電偶傳感器的輸出電勢是兩結點溫度差的函數(shù)。但是，輸出電勢是否為被測溫度的單一函數(shù)是一個較為關鍵的問題，為了保證輸出的電勢是被測溫度的單一函數(shù)，應該進行適當?shù)奶幚?，這是保證所測溫度與實際溫度相接近的重要因素。一般情況下將熱電偶參比溫度端保持為0℃。在各項理論研究我們認為各種型號熱電偶的分度表所列數(shù)值都應該以參比端溫度為0℃為基準制成，這是關系到實際應用效果是否良好的重要因素。但是，在進行實際操作的過程中具有一定的難度。熱電偶冷端補償問題便是為了解決這一難題應運而生的。
1 熱電偶冷端補償?shù)幕纠碚撝魏脱芯楷F(xiàn)狀
熱電偶進行溫度測量的基本原理是一對金屬A、B組成閉合回路，將金屬的接點a、b置于不同溫差和場強中，在此條件下將會產(chǎn)生溫差電效應。由于在此閉合回路中形成了電流，因此在回路中電流作用下，兩接點之間會產(chǎn)生相應的熱電勢，通過測定該熱電勢的大小經(jīng)過相應的關系匹配就可以實現(xiàn)溫度的測量，但是兩種金屬必須是異質(zhì)金屬。在實際應用中應該滿足一定的基本條件這種方法才具有可行性，才會測量出與實際接近的溫度。這些基本條件主要包括以下幾個方面，首先要選擇合適的導線，導線的選用應該滿足與熱電偶相配套的基本條件，然后補償導線將熱電偶冷端延伸到控制室之后便可以與變送、顯示、記錄、調(diào)節(jié)儀表或數(shù)據(jù)采集卡等設備相連，進行溫度監(jiān)測與控制。
在實際應用中常常使用以下公式對熱電勢與溫度之間的數(shù)值關系進行確定。EAB(t，t0)=EAB(t，0)-EAB(t0，0)。這一公式在應用與計算過程中涉及到中間溫度定律，我們應該在遵循中間溫度定律的前提下進行應用。實際應用中我們認為在冷端溫度恒定的條件下可以通過對于熱電偶輸出的熱電勢的確定得到熱電偶冷端溫度，然后再由熱電偶冷端溫度為0℃時的數(shù)值計算出熱電勢。得到此數(shù)值之后還需要將所得的數(shù)值在熱電偶分度表進行匹配，得到實際熱電偶熱端溫度。在此計算過程中存在一種特殊情況應該引起我們注意。如果出現(xiàn)冷端溫度波動的現(xiàn)象，則應該在遵循中間導體的基礎上通過補償導線將冷端引到溫度恒定的位置，然后采用上述方法得到熱電偶被測端溫度。
2 DS18B20數(shù)字式溫度傳感器基本工作原理與基本特點
DS18B20作為一種單線式的數(shù)字溫度傳感器，其實際應用的范圍較為廣泛，具有準確度高等優(yōu)點，受到了普遍的認可與歡迎。這一類型的傳感器是在DS1820系列溫度傳感器的基礎上發(fā)展起來的，既具有傳統(tǒng)傳感器的共同優(yōu)點，同時還具有其自身的獨特優(yōu)勢。其相對于傳統(tǒng)的DS1820傳感器的先進之處便是其測量的結果可以被直接轉(zhuǎn)換成9到12位二進制數(shù)字信號輸出，這種信號輸出的方式不但更加準確而且更加有利于直接被計算機識別，信息傳輸?shù)姆绞胶驮O備簡單，不需要過多的裝備只需要一根信號線即可。另外，此類溫度傳感器不但可以用于多點測溫還可以用于單點溫度的測量，在此基礎上其可以使用的范圍更加廣泛，成為被認可程度較高的一種傳感器。DS18B20的具體使用應該遵循一定的流程和操作守則，其主機控制的溫度轉(zhuǎn)換應該具有一定的程序和方法，主要的步驟如下首先應該對DS18B20進行復位，這是進行讀寫的首要條件，在進行讀寫之后只有復位成功才可以進行ROM指令的發(fā)送，之后才進行RAM指令的發(fā)送。只有這些操作全部完成之后才可以對其進行操作。
另外，由于其輸出的為TTL電平數(shù)字信號，因此測量誤差較低并且使用簡便。其測量范圍保持在-55℃~125℃，準確度因為測量溫度的不同有所差異。在-10℃~85℃范圍內(nèi)，其準確度為±0.5℃，而在其他溫度范圍準確度為2℃。
DS18B20溫度傳感器的工作程序是一個從初始化經(jīng)過ROM操作指和存儲器操作指令一直到數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹碗s過程。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。復位必須按照相關的要求進行，每項操作都應該遵循基本的要求，其操作要領如下CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。
具體使用應該遵循以下標準，將數(shù)字傳感器DS18B20置于熱電偶的冷端，在相應的補償軟件進行運行時應該與熱電偶的型號進行充分地結合，選擇與熱電偶的型號相適應的補償軟件。數(shù)字式溫度傳感器輸出的反映熱電偶冷端溫度的數(shù)字量讀入單片機，在存儲器存儲單元的數(shù)據(jù)表中讀出EAB(t0，0)，得到對應的冷端溫度的熱電勢，再將熱電偶兩端輸出的熱電勢經(jīng)放大和濾波，由
A/D轉(zhuǎn)換器輸入單片機，將其數(shù)字量轉(zhuǎn)換成熱電偶在冷端溫度為t0時實際輸出的熱電勢EAB(t，t0)，按溫度定律公式進行計算，再將單片機運算后得的值通過程序存儲器的數(shù)據(jù)表格查出對應溫度t，得出被測溫度的真實值。DS18B20使用方便，不需外接任何其他電路，能夠完成溫度的檢測和A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間短，功耗低，能夠滿足各種領域溫度測量的要求。
3 結束語
如何更加準確與更加科學的測量溫度是關系到很多生產(chǎn)過程以及生產(chǎn)工藝的重要因素，會從很大程度上影響到生產(chǎn)的效益。在很多生產(chǎn)工藝實際應用過程中對溫度測量的精確度要求很高，被測溫度的精確度至少應該高于0.5℃甚至更高。這些新的要求給傳統(tǒng)的冷端補償方法提出了嚴重的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的冷端補償方法已經(jīng)不能夠滿足實際需要。因此，在傳統(tǒng)數(shù)字傳感器的基礎上發(fā)展起來的新型單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20便更加具有應用的價值，其體積較小、結果更加準確并且傳輸?shù)木嚯x較遠。這類傳感器不僅可以解決熱電偶高準確度冷端補償，而且結果更加可信，可以直接進行計算機輸出。這些優(yōu)點以及特點給使用單位帶來了極大的福音，不但從很大程度上降低了系統(tǒng)成本，而且設備的體積更小更加易于操作，值得進行推廣使用。
參考文獻
[1]付東旭，黃成軍，郭燦新等.采用數(shù)字溫度傳感器進行熱電偶冷端補償?shù)臏囟葴y量系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2011，11.
[2]王學梅，金廣鋒.數(shù)字溫度傳感器DS18B20在糧倉溫度智能控制系統(tǒng)中的應用[J].科技廣場，2009，05.
[3]林海軍，滕召勝，楊圣潔等.數(shù)字溫度傳感器自適應動態(tài)補償方法[J].儀器儀表學報，2009，01.
[4]王淑英.集中熱電偶冷端補償方法比較研究[J].科技視野，2009，03.
