基于能量换测法的热电偶与DS18B20测温系统

王 婷

（兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

温度是工业生产过程中最重要的检测参数之一。能量换测法是利用能量变换装置，将一种形式的量转换为另一种形式的量来进行测量，测量条件是需要有实现能量转换的换能器或传感器。热电偶是将温度的测量转换为温差电动势的测量，将热学量转换为电学量进行测量的一种传感器[1]。VC9808A＋数字万用表所附的测温热电偶适用于信号传输距离较近且只要求温度显示时使用。设计的DS18B20测温系统中DS18B20是一种模拟／数字转换器件，把模拟温度信号直接转换成串行数字信号输入单片机。

1 热电偶测温系统

热电偶测温系统是由热电偶、连接导线（补偿导线）、显示仪表等多环节构成的[2]。在物理测量中，经常将非电学量如温度、时间、长度等转换为电学量来进行测量，这种方法叫做非电量的电测法[3]。热电偶是基于物体的热电效应，将温度信号转换成电压信号进行传递，这种测温方式不仅可以远距离传递，而且能够集中检测和控制[4]。热电偶是利用温差电效应制作的测温元件，在温度测量与控制中有广泛的应用。两种不同金属串接在一起，其两端可以和仪器相接进行测温的元件称为温差电偶。实际使用时，固定冷端温度不变，于是热电势便是测量端温度，也就是被测介质温度的单值函数[5]。

1.1 连接方式

温差电偶与测量仪器的连接方式有两种，如图1所示：（a）金属B的两端分别和金属A焊接，测量仪器 M插入A线中间；（b）A、B的一端焊接，另一端和测量仪器连接[3]。

图1 温差电偶与测量仪器的连接方式

1.2 热电偶测温

热电偶是靠其热接点吸收了外部热能而在其内部转换成电能，从而表征其被测物受热的程度[6]。它结构简单、制作容易、使用可靠、并易于安装。VC9808A＋数字万用表随机所附K型WRNM－010裸露式接点热电偶极限温度为250℃（短时间内为300℃）。所附热电偶根据测量目的采用简单测量系统，适用于信号传输距离较近且只要求温度显示时使用。测量时，将量程开关置于℃，并将热电偶温度传感器的冷端（自由端）负极插入（mA插座）温度测试插孔中，正极插入“COM”插座中，热电偶传感器的工作端（测量端）置于待测物上面或内部，可直接从显示屏上读取温度值，单位为℃。

2 DS18B20测温系统

DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，可以把温度信号直接转换成串行数字信号供计算机处理，是模拟／数字转换器件，且读信息或写信息仅需要单线接口，使用非常方便[7]。DS18B20测温系统是：使用单线数字温度传感器DS18B20把温度信号直接转换成数字信号输入单片机，经单片机处理后，将实时温度显示在数码管上，如图2所示。

图2 外部供电方式DS18B20单点测温电路

设计DS18B20测温系统是以STC89C52RC单片机为核心，通过数字温度传感器DS18B20来实现环境温度的采集和A／D转换，以数字形式输出，且为串行输出，方便单片机进行数据处理。单片机把采集到的温度信号进行相应的转换后，通过输出口控制数码管使被测量温度显示在数码管上输出。具体实现过程需要软件支持，也正是以单片机为核心的DS18B20测温系统用于远程控制的优点，只要根据实际测温及控制需要编写程序即可实现。图3中的DS18B20测温系统是精确到0.1℃的简单测温测试系统，如需解决有线测试方法布线困难，多点多地测温以及其它控制功能的问题，需在电路上附加其它元器件。功能、器件越多，精度越高，编程就越困难，开发成本就越高。

3 热电偶测温系统与DS18B20测温系统比较

为了比较两种测温系统，实验时将VC9808A＋数字万用表随机所附K型 WRNM－010裸露式接点热电偶及DS18B20放在同一位置（捆绑在一起），尽量使探头处于同一平面，控制加热源，使被测温度上升和下降，如图3所示。用通电的电烙铁提供加热源缓慢移近（移离）热电偶及DS18B20，观察温度变化显示并记录，进行顺测（回测），数据如表1。将所测试数据用计算机软件处理结果如图4所示。

图3 两种测温系统实物图

表1 同一环境测温数据表（单位℃）

图4 同一环境测温数据曲线图

4 结 论

两种测温系统在同一环境测温数据符合正态分布曲线，顺测和回测的最大误差都在允许误差内，表明系统具有较好的重复性，可以方便地应用于有线测试的多种环境中，能快速方便地读取数据。工业自动化程度越来越高，VC9808A＋数字万用表所附的测温热电偶在某些场合不能很好适应现代测温的要求，当传输距离较远且采集到的温度信号还用于控制时，采用单片机控制的DS18B20测温系统。基于单片机的DS18B20测温系统精度高，抗干扰能力强，使用灵活方便，但成本较高。把无线通信技术应用到测试系统当中，可解决传统有线测试方法布线困难的问题。在恶劣环境下提高系统的生存率，保证采集数据的可靠读取[8－9]。

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