基于热电偶的控温器设计学位论文.docx

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基于热电偶的控温器设计学位论文

哈尔滨理工大学

毕业设计

题目：

基于热电偶的控温器设计

院系：

电气与电子工程学院

2013年6月21日

基于热电偶的控温器设计

摘要

热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。

各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成。

本文研究开发的抗干扰热电偶控温器，从电路设计、PCB电路板布局布线、到软件设计等方面，对热电偶工作的干扰信号进行滤波处理，使这一热电偶控温器能够在复杂的电磁环境下稳定、可靠地工作。

为了达到提高测温精度的目的，需要对热电偶进行冷端补偿，以弥补热电偶冷端处于室温环境时造成的误差；在PCB电路设计中，从电源、电缆、印制板三个层次对热电偶控温器进行抗干扰设计；在软件设计过程中，利用数字滤波技术进一步对干扰信号滤波处理、并用线性插值法求解温度值，最后用模糊算法实现控温器对环境温度的控制。

关键词　热电偶；冷端补偿；控温器；抗干扰

ADesignofThermocoupleBasedTemperatureController

Abstract

Thermocouple（thermocouple）isacommonlyusedtemperaturesensortemperaturemeasurementinstrument,Itmeasurethetemperaturedirectly,andthetemperaturesignalisconvertedintothethermalelectromotiveforceone.Theshapeofthethermocoupleisnotthesamebecausethedifferentneeds.buttheirbasicstructureareroughlythesame,andusuallycomposeofahotelectrode,insulatingsleevetubeprotectorandthejunctionboxandothermainparts.

Thisresearchisabouttheresearchofananti-disturbedtemperaturecontrollerwiththermocoupleasitsthermalsensor.Inordertomakethetemperaturecontrollerworkstablyandreliablyinacomplicatedelectromagneticenvironment,differentmethodsareusedinthedesignstage.Thesemethodscoverdifferentstagesofthedesign,includingthedesignofthehardwarecircuit,thelayoutoftheprintedcircuitboard（PCB）,andthesoftwaredesign.

Inthedesignofthehardwarecircuit,inordertoimprovetheaccuracyofthetemperaturecontroller,it’snecessarytodosomeworkonthecoldjunctioncompensation.Becausethethermocoupleisusuallyworkwithitscoldjunctionintheroomtemperatureratherthaninthestandardof0℃.InthePCBdesignstage,threedesignhierarchiesareusedtomakethetemperaturecontrollerimmunetothedisturbanceoftheelectromagneticenvironment,thesehierarchiesinclude:

powersupply,electriccable,andtheprintedcircuitboard.Inthesoftwaredesign,thedigitalfilterisusedtofinallyfilterthedisturbsignal,andtheFuzzyalgorithmicapproachisusedtorealizethethermalcontrol.

Keywords　Thermocouple;Coldjunctioncompensation;Temperature

controller;Anti-disturb

摘要I

AbstractII

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绪论

1.1课题背景

温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。

温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。

它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。

国际单位为热力学温标（K）。

目前国际上用得较多的其他温标有华氏温标、摄氏温标和国际实用温标。

从分子运动论观点看，温度是物体分子运动平均动能的标志。

温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。

对于个别分子来说，温度是没有意义的。

在课题研制阶段，为了验证新设计产品的实际性能，需要对在研产品进行各种实验，如温度实验、盐雾实验、交变湿热实验、力学实验等实验内容。

在这些实验中有些是与温度密切相关的实验内容，需要在实验过程中对温度进行密切监控。

在温度测量时，不同实验条件对要选用的温度传感器提出了不同要求。

如盐雾实验对传感器的抗腐蚀性要求较高，交变湿热实验对传感器及其外围电路的绝缘性要求较高，而力学实验则对传感器结构的坚韧性提出要求。

但是，在实验中总会遇到或多或少的问题。

例如，在本研究所曾经研制和使用的热电偶测温、控温设备，总是存在抗电磁干扰能力差的问题。

具体表现在，当测试设备工作在实验室环境时，能较为准确的测量实验室温度；但到了工作现场，在数十台电子设备同时工作的强干扰环境，热电偶测温设备就会出现较大误差甚至出现没有数据的情况。

究其原因是热电偶的微小信号受到了周围电磁信号的干扰导致设备无法正常工作。

本文就是基于此设计研究了新型的抗干扰热偶控温器设备。

1.2国内外发展现状

1.2.1PID发展现状

1922年美国的Minorsky在对船舶自动导航的研究中，提出了基于输出反馈的比例积分微分（PID，Proportional Integral Differential）控制器的设计方法，标志了PID控制的诞生。

随后，PID控制器就以其结构简单、对模型误差具有鲁棒性以及易于操作等特点，在大多数控制过程中能够获得满意的控制性能，到了20世纪40年代就已在过程控制中得到了广泛的应用。

20世纪30～40年代，经典的频域设计法得到了很快的发展。

较为重要的是Nyquist和Bode在稳定性理论上所取得的重要成就。

这种经典设计方法是设计一种反馈补偿器，以获得一定量的稳定裕度，重点考虑了模型的不确定性，并利用反馈来减少系统对干扰和模型误差的灵敏度。

进入50年代以后，发展较快的是解析法，并且定义了一些瞬态性能指标。

借助于模拟计算机的帮助，能较为方便的检测时域响应指标。

然而，与此同时对控制系统的鲁棒性和灵敏度的关注有所降低。

20世纪50年代中期，随着数字计算机的出现，用差分方程来描述控制系统模型的方法得到了应用。

对人造地球卫星的控制促进了现代控制理论的发展，最优控制被用于去寻找非线性动态系统的最优轨迹。

20世纪60年代，基于最优化技术的控制器设计方法在解决各种不同设计问题上显示出了其优势。

现代控制理论开始应用于实际的过程控制，但这需要对过程对象建立精确的数学模型，所以实际上往往难以得到精确的数学模型。

因此进入七十年代以后，鲁棒性问题得到了人们更多的关注。

从20世纪80年代开始，在单回路PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID控制理论从此进入了高速发展阶段。

在控制技术高速发展的今天，由于PID控制算法简单、可靠性高等特点，它在工业过程控制中仍然占有主导地位。

由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。

其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。

前者称为模拟PID调节器，后者称为数字PID调节器。

其中数字PID节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。

采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（即比例值、积分值、微分值）。

只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。

1.2.2国内外实例 

甘肃大学的赵紫静研究了一种基于PID温度控制技术的X射线发生器。

这种发生器需要将其精度控制在±0.5℃左右，才能保证器件输出的X射线波长不发生超出要求的飘移，否则，X射线波长的超范围飘移将使整个设备难以正常使用。

在温控过程中，由于难以建立控制对象的精确数学模型，所以可以用PID技术根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过渡，最后达到控制范围精度内稳定动

数字PID控制则是一种是以微处理器为基础,综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术的智能控制。

海军航空工程学院基础实验部的李建海等设计了一种上位机监控采用组态软件，下位机采用西门子PLC的电路智能温度控制系统，实现了智能控制、多控制功能为一体的综合控制系统。

昆明理工大学信息工程与自动化学院的王清海等在锅炉温度控制研究中将神经网络PID与LabVIEW人及交互结合，实现对锅炉温度的数据采集、控制和现实，提高了锅炉温控系统的效率。

英国的Hamid等将PID控制器应用到冰箱的温度控制中，通过使用MATLAB/Simulink软件仿真和误差分析图的方式与传统的ON-OFF控制做了细致的比较。

结果表明，PID控制无论是在精度和控制性能方面都优于ON-OFF控制。

日本Komatsu Electronics公司的Kazuhiro Mimura对基于PID控制与现代控制理论相结合的离子化热水器温度控制开展了研究，结果证明这样的温度控制方法能够使用比传统控制系统更的温度传感器，进而降低成本，提高了公司效益。

1.3本设计技术指标

温度控制范围：

0℃~150℃

温度稳定性：

达到0.001℃

系统最小分度：

1℃

温度控制静态误差：

不超过0.5℃

模拟输入量：

16路

精度：

0.4％t

响应时间：

20μs

产生的电动势：

41μV/℃

1.4本文主要研究内容

本文以热电偶作为感温元件，设计了一个温度控制器，实现了温度的测量与调节。

具体研究内容如下：

第一章简要说明了本课题的研究背景，以及在热电偶测温领域国内外的发展现状。

第二章简要介绍了各种型号的热电偶传感器，讨论了热电效应和热电动势，详细阐