高精度温度快速测量系统设计

　　0 前 言

　　温度是反映物体冷热状态的物理参数，对温度的测量在工农业生产、国防、科研等领域中有广泛地应用。在某些特殊的场合对温度的检测速度有很高的要求，例如：在测量汽车发动机吸入空气的温度的时候，就要求热响应时间小于1s;航天飞机的主发动机的温度测量要求 0.4s 内完成等。通常用来测量温度的传感器有热电阻温度传感器、热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器等几种。这些常用温度传感器一般在测量固体温度和液体温度时具有较快的响应速度。但在气体温度测量时候，由于温度传感器自身的热滞特性，而气体传热过程又比较缓慢，气体温度测量就有很大滞后。工业常用的精度较高的温度传感器有铂热电阻、半导体温度传感器等。铂热电阻具有温度测量范围大、重复性好、精度高等特点，但是响应不是很快，特别是在对气体温度测量时至少要几秒钟，在某些工作环境比较特殊的场合，如高压环境下，还需使用铠装的铂热电阻，更是延缓了热响应速度。半导体温度传感器分热敏电阻和PN结型温度传感器两种。热敏电阻非常适合对微弱温度变化的测量，但是缺点是非线性严重;PN结型的特点是体积小、线性输出、精度高，但是不能使用在液体环境，对气体温度变化响应也较慢。所以常用温度传感器一般都存在着对气体温度变化响应较慢的问题。在对气体温度实时性测量要求比较高的系统，运用常用温度测量方法很难做到对温度的快速测量，对系统的精度影响就很大。

　　针对以上情况，本文设计了一种基于AT89C51单片机，应用快速响应热电偶的温度快速测量系统。系统采用的热电偶具有快速测温的特点，使用精度较高的T型热电偶，冷端误差可以通过冷端温度补偿消除。由于在实际应用中，温度变化范围不是很大，所以系统具有很高的精度。因此系统能够实现对固体表面、液体和气体温度的高精度快速测量。

　　1 温度传感器热响应特性

　　传感器的时间常数是描述传感器动态特性的一个特征参数，反映了传感器对热的敏感程度。时间常数同时是传感器的一个重要技术指标，也是影响测温速度的主要因素。

　　假设将温度传感器从环境温度 T0放到环境温度 T1中(T0>T1),传感器由于散热而温度逐渐降低，直到达到温度T1，假定这个过程花费时间△ ，温度传感器的耗散热量为 W1，传感器耗散引起温度下降△ ，则有如下关系：

　　其中,W1和W2表示耗散的热量，H为耗散系数(W/K)，C为传感器的热容量(J/K)。

    当其中, 为温度传感器的时间常数，表示从起始温度开始温度降低了 63.2% 所需的时间，T为 时刻的温度。为了达到快速测温的目的，就要减小 的值，而 由H和C确定，H和C取决于温度传感器自身的材料、结构、几何尺寸等固有特性。本系统充分考虑到温度传感器的热响应特性，采用NANMAC公司的C2系列热电偶。电偶丝采用精度较高的T型偶，相对精度为± 0.375%，在实际使用中，温度变化范围为-10℃～50℃，所以具有较高的精度。热电偶的敏感结为暴露式的，也就是将热电偶结置于探头端面上，直接暴露在周围环境中，从而提高了响应速度，保证了响应时间为毫秒级。暴露式热电偶结在测量过程中会受侵蚀或磨损，但它会在受侵蚀的情况下自动更新其热电偶结，从而保证了热电偶工作精度和寿命。