熱電偶及其補償電路的設計

1、熱電偶及其補償電路的設計引言 溫度是工業(yè)生產中重要的物理量, 產品的產量、質量、能耗等都直接與溫度有關, 因此, 準確地測量溫度具有十分重要的現實意義。測溫的方法很多, 例如, 利用水銀溫度計、有機液體溫度計、雙金屬溫度計、液體壓力溫度計、鉑電阻溫度計、熱敏電阻溫度計、熱電偶溫度計、光學高溫計、紅外溫度計、輻射溫度計、比色溫度計等等都可實現對溫度的測量1 。其中, 熱電偶溫度計具有結構簡單、測溫范圍廣(低至負180 , 高至1800 ) 、耐高溫、準確度高、價格便宜、使用方便、適于遠距離測量與自動控制等優(yōu)點。因而, 它在高溫測量方面得到較廣泛的應用。1 熱電偶的工作原理 熱電溫度計是由熱電偶、

2、補償導線及測量儀表構成的。其中熱電偶是敏感元件, 它由兩種不同的導體A 和B 連接在一起, 構成一個閉合回路, 當兩個連接點1 與2 的溫度不同時, 由于熱電效應,回路中就會產生零點幾到幾十毫伏的熱電動勢, 記為EAB 。接點1 在測量時被置于測場所, 故稱為測量端或工作端。接點2 則要求恒定在某一溫度下,稱為參考端或自由端, 如圖1 所示。實驗證明, 當電極材料選定后, 熱電偶的熱電動勢僅與兩個接點的溫度有關, 即d EAB ( t1 , t2 ) = SAb ×d t ,比例系數SAB 稱為熱電動勢率, 它是熱電偶最重要的特征量。當兩接點的溫度分別為t1 , t2 時, 回路總的

3、熱電動勢為 式中eAB ( t1 ) 、eAB ( t2 ) 分別為接點的分熱電動勢。 對于已選定材料的熱電偶, 當其自由端溫度恒定時, eAB ( t2 ) 為常數, 這樣回路總的熱電動勢僅為工作溫度t1 的單值函數。所以, 通過測量熱電動勢的方法就可以測量工作點的實際溫度。2 熱電偶測量溫度的使用方法 圖1 中我們把自由端2 畫成虛線, 是想說明熱電偶在使用時2 點實際上不是直接相接的。由熱電偶的中間金屬定律: “在熱電偶測溫回路中, 串接第三種導體, 只要其兩端溫度相同, 則熱電偶所產生的熱電動勢與串接的中間金屬無關”, 那么, 我們把較短的測量導線和儀表串接在2 點并視其為第三種金屬,

4、 就可認為它們不影響熱電偶所產生的熱電動勢即工作溫度的測量。 實際使用時, 測量場所與測量儀表往往相距很遠, 又因為組成熱電偶的材料比較貴重, 所以常加導線來連接。這里有兩種使用方法: 第一種, 兩根連接導線具有相同的熱電性質, 如在一根導線(如常用的紫銅線) 上取下的兩段線, 它們的化學成分和物理性質就很相近, 這時, 可根據中間金屬定律判斷出電偶的熱電動勢只取決于電偶兩端溫度t1 ,t2 , 其它環(huán)境溫度的影響就可忽略。第二, 熱電偶的兩電極分別采用和自己熱電性質相近的補償導線延長至3 點, 這樣熱電動勢只取決于t1 和t3 , 而與t2 無關。 上述使用情況中, 溫度點t2 和t3 往往

5、采用冰水混合物(0 ) 來恒定溫度。這時, 總的熱電動勢就變成工作溫度t1 的單值函數, 可記為E - t1 。為了使用方便, 對于不同的熱電偶規(guī)定了不同的分度號, 根據不同的分度號, 我們又可查找其對應的分度表, 從而得到標準熱電偶E - t1 關系的具體對應值(相關溫度點一般規(guī)定為0 ) 。下面給出一例2 , 見表1。 熱電偶測溫時, 除工作端外的各個部分要求有良好的絕緣, 否則會引入誤差, 甚至無法測量。另外, 為了支撐和固定熱電極, 延長其壽命, 還應選擇合適的保護套管材料。使用一段時間后, 熱電偶要和標準偶進行校正。3 補償電路的設計 現在的溫度采集、控制系統(tǒng)可以將采集到的電偶電壓經

6、過放大、濾波、A D 變換成數字信號,并用下位單片機把它經過串行通信總線RS485、電平轉換芯片MAX232、RS232 串行總線送給上位計算機, 從而實現測量、控制作用。也可使用智能控制儀表(含IC 微處理器) 來實現顯示和控制, 具體的流程如圖2 所示。 為了方便, 我們可不使用冰水混合物來恒定溫度, 而是采用補償電路的方法。具體辦法是采用計算修正法。由補償電路測得溫度t2 (或t3 ) 的電壓并送給儀表或計算機, 由計算機換算出溫度t2(或t3 ) , 再由軟件查表法, 根據數據庫中存放的熱電偶分度表查出對應的電偶的EAB ( t2 ,0 ) 值,然后, 根據電偶電路直接測得的EAB (

7、 t1 , t2 ) 值, 并按下式:EAB ( t1 ,0 ) = EAB ( t1 , t2 ) + EAB ( t2 ,0 ) 3,計算EAB ( t1 ,0 ) , 最后還由計算機軟件查表法,根據分度表反過來查出對應的工作溫度值, 從而實現顯示、控制。該溫度值即為被測的工作點真實溫度值, 按照這個步驟進行修正, 結果很精確。 這里的電路設計難點是溫度點t2 (或t3 ) 補償測量電路的設計,下面給出了電路圖如圖3 所示。 圖3 是一個溫度2電壓轉換電路。電路中A1(電壓跟隨器) 經過14k 和10k 電阻分壓提供了5V 的參考電壓( ER ) , 并作為后級放大電路的橋路端電壓。它的第

8、二級A2 組成差動放大運算電路。其輸入端為帶有溫度敏感元件的橋式電路4 。 UP 和UQ 分別為差動放大器的兩個輸入電壓,其中UP = RX ER / ( RC + Rx ) , UQ = RB ER( RA + RB ) ,RF = 1M , RI = 36K。當RI 遠大于橋路的四個臂電阻RA , RB , RC 和RX 時, 輸出電壓可以簡化成:Uo = ( UQ - UP ) RF/ RI , 在橋路中, Rx 的兩端接熱敏電阻。溫度敏感元件采用PB241 型熱敏電阻。它在050 的范圍內被認為是線性的。這樣, 我們就得到了電偶溫度點t2 (或t3 ) 與Uo 的關系。 電位器Rw1 (1k) 可以校正輸出電壓在橋路平衡時為零, Rw2 (1k) 可以校正輸出電壓值。兩電阻的綜合作用是使放大器在溫度050 的范圍內, 輸出電壓滿足0 至5V 的要求。 當然, 我們也可采用其它方法構成的測溫補償電路。例如, 利用線性放大器組成的恒流源和溫敏PN 結(在其流過的電流恒定時, 其兩端電壓與在一定范圍內變化的溫度基本成線性關系) 就可以得到溫度2電壓關系。再如, 利用恒流源和鉑熱電阻(它被公認為是溫度敏感元件中準確度和重復性的標準。) 可得到溫度2電阻關系, 并可以把溫度引起的阻值變化量經過電阻串連轉變?yōu)殡妷鹤兓敵? 并經過調理電路把電壓信號調理為0 至5V 輸出,