文 献 综 述
毕业设计题目： 智能温度测量仪 智能温度测量仪的研究与实现
包彩强
（06电子信息工程（1）班 E06610131）
一、前言
温度是确定物质状态的重要参数，在许多工艺过程中常常需要使物料或成品达到某一特定的温度范围。在生产过程的检测和监控中，对温度进行及时而又准确的测量是最普遍和最重要的检测项目之一[1]。
在服装、食品等一些轻工业中，对温度控制的范围、精度有特殊的要求，且对温度检测设备的造价十分敏感，因而需要一种经济而实用的温控系统。
如在服装工业中，服装的印染、烫画，温度一般要求在150~180℃，温控精度在0~399℃范围内应达到2℃，时间以s为单位。如果温度或时间不能满足要求，则产品的质量就达不到要求，甚至可能损坏原材料。因此要求较高的温度及时间精度[2]。
随着对生产效率的要求不断提高，对温度检测的要求也越来越高，融合现代检测技术和控制理论的智能检测是当今温度检测的一大趋势，研究和开发适用场合多样化、测温对象多样化、检测设备数字化以及检测元件新型化的测温仪表是国内外测温仪表研究的重点[3~4]。
二、国内外测温技术及其发展趋势
2.1 国内外测温技术现状
随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法。
(1)利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。利用此原理制成的温度计大致分成三大类：玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。
(2)利用热电效应技术制成的温度检测元件。利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛检测元件之一。 热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。
(3)利用热阻效应技术制成的温度计。用此技术制成的温度计大致可分成以下几种: 电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。
(4)利用热辐射原理制成的高温计。热辐射高温计通常分为两种:一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计；一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射[3]。
2.2 国内外温度检测技术的发展动向
随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，因而对温度检测技术的要求也愈来愈高，一般可以归纳以下几方面。
(1)扩展检测范围。现在工业上通用的温度检测范围为-200~30000℃，而今后要求能测量超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切。
(2)扩大测温对象。温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。
(3)发展新型产品。利用老的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足于用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。
(4)适应特殊环境的测温。在许多场合中的温度检测器有特殊要求，例如防爆、防硫、耐磨等性能要求；又如移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温、火焰温度检测等。
(5)显示数字化。温度仪表向数字化方向发展。其最大优点是直观、无度数误差、分辨率高、测量误差小，因而有广阔的销售市场。
(6)标定自动化。应用计算机技术，快速、准确、自动地标定温度检测器[5~8]。
根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展：
(1)继续生产量大面广的传统温度检测元件，如：热电偶、热电阻、热敏电阻等。
(2)加强新原理、新材料、新工艺的开发。如近来己开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。
(3)向智能化、集成化、适用化方向发展。新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展。
随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法：
(1)利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。利用此原理制成的温度计大致分成三大类：玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。
(2)利用热电效应技术制成的温度检测元件。利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛检测元件之一。 热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。
(3)利用热阻效应技术制成的温度计。用此技术制成的温度计大致可分成以下几种: 电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。
(4)利用热辐射原理制成的高温计。热辐射高温计通常分为两种：一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计；一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射[4]。
三、智能温度测量仪的简介及其评价
3.1 智能测温仪的工作原理
图1：系统框图
从温度传感器过来的mV信号，送到仪表放大器将信号放大，再经A/D转换为数字量送单片机。由人工智能算法根据给定值和实测值，得到输出控制数字量，再经D/A转换成模拟量，最后又经V/I转换成标准控制信号，作为仪表的输出。从输入口输入的电压信号，经A/D转换为数字量送单片机。由人工智能算出电压值，并输入到显示部分进行显示，以显示所测得的电压值[4]。
3.2 智能温度测量仪的评价
由于工业测温都是在设备正常运行时测量设备内部或者产品各部位的温度，人工测温需要将机器关闭并且打开设备将温度测量器深入。这样不但造成时间浪费，而且不能实时得知设备是否正常运作，产品有没达到要求温度。如果不能实时测得温度，就不能实时控制设备或产品的温度，这样就不能保证产品的质量，而且有的时候还会造成危险。但是智能测温仪可以通过温度传感器，实时测量产品和设备的温度，实时调节温度控制，这样为机械化生产，智能化生产创造了条件[5]。
但是智能测温仪也有他的弱点，智能测温仪由传感器，单片机，放大器和软件等组成，由于其复杂性，所以任何一环出现问题，智能测温仪就无法正常工作，这样就大大降低了测温的正确性。
四、智能温度测量仪需解决的问题
在冶金，化工，石油等领域的生产自动化系统中，热电偶作为一种接触式温度传感器应用非常普遍。它的结构简单，温度范围广，精度高，反应速度快，但是在用热电偶测温过程中必须处理好三个问题。首先，应保持冷端温度为零或进行冷端温度补偿；其二，热电偶的输出电势非常低，一般为几微伏~几十微伏/℃。期满量程输出也只有几十豪伏~几百豪伏/℃，因此要解决微弱直流信号放大的问题；其三，热电偶的温度-热电偶特性曲线成复杂曲线形式，非线性较明显，因此要解决非线性补偿问题。普通的模拟仪表有输入电路、放大电路、非线性反馈回路及冷端温度补偿电路等环节组成，但是模拟电路进行非线性补偿较困难，且精度不易提高，所以在电路中引进单片机的智能仪表得以迅速发展[6]。
4.1 热电偶冷端温度补偿
根据热电偶测温原理可知，热电偶回路热电势的大小不仅与热端温度有关，而且与冷端温度有关，只有当冷端温度保持不变，热电势才是被测热端温度的单值函数。热电偶分度表和根据分度表刻度的显示仪表都要求冷端温度恒定为0，否则将产生测量误差。然而在实际应用中，由于热电偶的冷端与热端距离通常很近，冷端（接线盒处）又暴露于空间，受到周围环境温度波动的影响，冷端温度很难保持恒定，保持在0摄氏度就更难[7]。因此必须采取措施，消除冷端温度变化和不为其所产生影响，需进行冷端温度补偿。
4.1.1补偿导线法
在一定温度范围内，热电性能与热电偶热电性能很相近的导线称为热电偶的补偿导线。按热电偶中间温度定则，热电偶测温回路的总电势值只与热端和参比端的温度有关，而不受中间温度变化的影响，所以可用与热电偶材料相匹配的补偿导线来代替需要延伸的贵重热电偶材料，将参比端由热电偶接线盒延伸到仪表接线端，由补偿导线对原参比端温度进行补偿。补偿导线除了可减少测量误差外，还有以下优点：可改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能，如采用多股线芯或小直径补偿导线可提高线路的柔韧性，使连接方便，也易于屏蔽外界干扰，可降低测量线路成本[8]。
4.1.2 补偿电桥法
补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势的变化值。如图2所示：不平衡电桥（即补偿电桥）由电阻R1、R2、R3（锰铜丝绕制）、Rcu（铜丝绕制）四个桥臂和桥路稳压电源多组成，串联在热电偶回路中。热电偶冷端与电阻Rcu感受相同的温度。通常取20℃时电桥平衡（R1=R2=R3=Rcu20），此时取对角线a、b两点电位相等（即Uab=0），电桥对仪表的读数无影响。当环境温度高于20℃时Rcu增加，平衡被破坏，a点电位高于b点，产生不平衡电压Uab，它与热端电势相叠加，一起送入测量仪表。适当选择桥臂电阻和电流的数值，可使电桥产生的不平衡电压Uab正好补偿由于冷端温度变化而引起的热电动势变化值，仪表即可指示出正确的温度。由于是在20℃时平衡，所以采用这种补偿电桥需把仪表的机械零位调整到20℃[9~10]。
图2：补偿电桥
4.1.3 软件补偿法
具有冷端补偿的单片K型热电偶放大器与数字转换器MAX6675内部自带冷端温度补偿、线性校正、APD 转换器、热电偶断线检测等功能,它将温度测量值转换为单片机能识别的16位二进制数字温度读数,其测温范围为0~1023. 75℃，转换精度为0.
25 ℃，冷端温度的补偿范围为-20~+ 85℃,工作电压为3.0~5. 5V，当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化[6~7]。在使用中仅需2线SPI串行接口，与单片机连接非常方便。这里以AT89C52 单片机为例，给出MAX6675与单片机接口构成的测温电路，接口如图3所示：
图3：MAX6675与单片机的接口
4.2 信号放大
热电偶出来的mv信号，无法直接进行A/D转换，必须进行放大处理。由于此电路是系统设计的核心部分之一，如果在放大级引入的干扰，被放大后进入到后级的A/D，转化出来的数值必定相差很远。为使系统具有极高的可靠性，应选择性能高一点的仪表专用运放为佳[11]。
4.3 软件的非线性处理方法
对热电偶得到的非线性信号的处理采用查表和程序计算的方法来解决，由拟和理论可知，对非线性信号可用多项式nnxaxaxaxaay332210 来拟和，且多项式次数越高，精度也越高。但在实际的智能测温系统中，由于受速度和存储容量的限制，只能采。用有限次拟和。本文根据热电偶的热电势与温度曲线，提出用二次插值的方法(即取多项式前三项) 来对非线性进行处理，其方法是先在存储器中存入热电势和温度的序列表),(),)(,)(,(,e33221100nntetetetet）（对于任意的热电势e，假设通过程序可判别它在热电势和温度序列中的位置为)20(e21nieeeiii则对应的温度t 可由下式计算出温度值[10]。
212211211212121))(())(())(())(())(())((iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiteeeeeeeeteeeeeeeeteeeeeeeet （1）
由于在(ei，ei + 2 )内，将信号拟合成抛物线，更接近于电势与温度的实际，所以拟和的精度大大的提高，同时在相同的精度下，变量序列的步长取得相对较大，这样可大