基于EFM8控制器制作用于監(jiān)控和分析熱電偶的測(cè)量系統(tǒng)

熱電偶

熱電偶（thermocouple）是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測(cè)量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測(cè)量時(shí)不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。

工作原理

當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0 ，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)則稱為“熱電動(dòng)勢(shì)” 。

熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分電動(dòng)勢(shì)組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)。

熱電偶回路中熱電動(dòng)勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢(shì)便是兩接點(diǎn)溫度t和t0。的函數(shù)差 。

這一關(guān)系式在實(shí)際測(cè)溫中得到了廣泛應(yīng)用。因?yàn)槔涠藅0恒定，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)只隨熱端（測(cè)量端）溫度的變化而變化，即一定的熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)著一定的溫度。我們只要用測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)的方法就可達(dá)到測(cè)溫的目的 ［1］ 。

熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，

當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端（測(cè)量端為熱端，通過引線與測(cè)量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償正常。與測(cè)量?jī)x表連接用專用補(bǔ)償導(dǎo)線。

熱電偶冷端補(bǔ)償計(jì)算方法：

從毫伏到溫度：測(cè)量冷端溫度，換算為對(duì)應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度；

從溫度到毫伏：測(cè)量出實(shí)際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度。

。通過將EFM8微控制器連接到PC，您可以方便地監(jiān)控溫度并可視化溫度隨時(shí)間的變化情況。

所需的硬件/軟件

● SLSTK2000A EFM8評(píng)估板

● Simplicity Studio集成開發(fā)環(huán)境

● SCILAB

● PmodTC1熱電偶模塊（包括一個(gè)K型熱電偶）

● 5根連接導(dǎo)線

分析您的烤箱

在本篇文章中，我們將開發(fā)一個(gè)監(jiān)測(cè)和記錄熱電偶溫度測(cè)量的系統(tǒng)。您當(dāng)然可以將此系統(tǒng)用于您選擇執(zhí)行的任何溫度感應(yīng)，但我確實(shí)有一個(gè)特定的應(yīng)用：回流式烤箱。您可能還沒有意識(shí)到，通過使用普通烤箱進(jìn)行回流焊接，可以將表面貼裝部件焊接到PCB上。如果您曾經(jīng)考慮過，兩到三塊PCB進(jìn)行專業(yè)裝配的成本，那么您完全理解這種低成本自助式替代方案的重要性。

然而，使用烤箱進(jìn)行回流焊接方法的困難之一是溫度控制。首先，不能保證烤箱的溫度設(shè)置足夠準(zhǔn)確（畢竟，它是專為食品準(zhǔn)備而設(shè)計(jì)的，而不是PCB組裝）。其次，最佳回流焊接不僅僅是單個(gè)溫度。考慮以下：

這是凱斯特（Kester）制造的有鉛焊膏推薦的溫度曲線。也許是自己動(dòng)手組裝技術(shù)人員不需要強(qiáng)調(diào)嚴(yán)格遵守溫度曲線，但是一致成功的機(jī)會(huì)肯定會(huì)隨著您復(fù)制推薦曲線的程度而增加。此外，記錄您的溫度變化 - 即使您沒有嘗試微調(diào)烤箱的性能 - 可以幫助您識(shí)別潛在的問題。例如，ChipQuick建議其含鉛產(chǎn)品具有更高的最高溫度（235°C對(duì)225°C），而ChipQuick的無鉛焊膏需要更高的峰值溫度和變化的曲線。因此，如果您注意到某種類型的錫膏比另一種效果更好，那么您的溫度數(shù)據(jù)可能會(huì)幫助您解決問題。