熱電偶測溫電路設(shè)計(jì)與仿真

摘要:K型熱電偶測量中高溫度。隨著溫度的變化,K型熱電偶輸出電壓變化量為幾十微伏，利用運(yùn)算放大器對熱電偶輸出的電壓放大,并且補(bǔ)償運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓。LM35對熱電偶測溫電路的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。Proteus軟件對測溫電路進(jìn)行仿真,結(jié)果表明電路設(shè)計(jì)簡便,測溫精度高。
0引言
      熱電偶是一種常用的測溫器件,具有測量精度高、測溫范圍廣(溫度范圍為-200℃~1600℃)、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單,直接將溫度轉(zhuǎn)換成電壓的特性,尤其在工業(yè)測溫領(lǐng)域中占有重要地位[1,2。本文使用K型熱電偶測量0~500℃的溫度,通過測量電路對熱電偶產(chǎn)生的電壓信號進(jìn)行處理,并且利用Proteus軟件對于整個(gè)測溫電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。
1熱電偶測溫電路的結(jié)構(gòu)

      如圖1所示，整個(gè)測溫電路由K型熱電偶溫度傳感器、冷端溫度補(bǔ)償電路、電壓放大電路及其失調(diào)電壓補(bǔ)償電路等四部分組成。溫度傳感器使用熱電勢相對較大、適用于測量中高溫度的K型熱電偶。當(dāng)熱電偶的冷端溫度不為零時(shí)，使用LM35集成溫度傳感器補(bǔ)償冷端溫度的偏差電壓。運(yùn)算放大器0P07對熱電偶產(chǎn)生的熱電勢進(jìn)行放大，并對0P07自身固有的輸入失調(diào)電壓的誤差進(jìn)行補(bǔ)償、調(diào)零。
2熱電偶測溫原理[3]
      熱電偶由兩種不同的金屬A和B構(gòu)成。當(dāng)A和B兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度不同時(shí)，閉合回路中產(chǎn)生熱電勢。在實(shí)際工程中,根據(jù)熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢大小，查熱電偶的分度表(溫度與熱電勢之間的關(guān)系表),獲得被測的熱端溫度。當(dāng)熱電偶的冷端溫度不為零時(shí)，可以采用冷端溫度補(bǔ)償法,利用修正后的熱電勢查分度表獲得被測的熱端溫度。冷端溫度補(bǔ)償表達(dá)式為

      式中，E_AB(t,0)為熱電偶的熱端溫度和冷端溫度分別為t，0°C的熱電勢，E_AB(t,tn)為熱電偶的熱端溫度和冷端溫度分別為t，tn的熱電勢，E_AB(tn,0)為熱電偶的熱端溫度和冷端溫度分別為tn,0°C的熱電勢。
3測溫電路
3.1冷端溫度補(bǔ)償電路
      LM35集成溫度傳感器是一種電壓輸出型溫度傳感器,可用于熱電偶測溫電路的冷端溫度補(bǔ)償。在-50℃~150℃溫度范圍內(nèi)，LM35溫度傳感器輸出的電壓與攝氏溫度是--種線性關(guān)系，溫度每變化1'C,輸出電壓變化量為10mV左右。.由K型熱電偶的分度表可知,溫度每變化1C,熱電偶輸出電壓變化量為40μV左右[5。當(dāng)二者的溫度變化量都為1℃時(shí)，LM35溫度傳感器和K型熱電偶輸出的電壓變化量不相等,即靈敏度不相等。如圖2所示，在LM35輸出端串聯(lián)R1、RV1、R2,使得LM35的靈敏度為40μV/℃,實(shí)現(xiàn)與K型熱電偶相同的靈敏度。當(dāng)熱電偶測溫電路的冷端溫度不為零時(shí),通過調(diào)節(jié)滑動變阻器RV1,使tn點(diǎn)的電壓補(bǔ)償熱電偶冷端溫度不為零的電壓。

3.2電壓放大電路
3.2.1運(yùn)算放大器的選型
      隨著溫度的變化，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢變化量很小,為了正確測量溫度,必須使用運(yùn)算放大器把小信號放大到--定幅度或者滿足一定分辨率。在進(jìn)行電壓放大的時(shí)候,需要考慮運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流、溫漂系數(shù)低等運(yùn)算放大器的參數(shù)。

      如表1所示，對常用的運(yùn)算放大器的主要特性進(jìn)行比較。其中,輸入失調(diào)電壓是一個(gè)非常重要的參數(shù)。當(dāng)放大器的輸入電壓為零時(shí),實(shí)際輸出的電壓不為零,這個(gè)輸出電壓稱為失調(diào)電壓。當(dāng)輸入的有用信號電壓較小時(shí),普通運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓較大，運(yùn)算放大電路就無法分辨出輸入的信號是有用的電壓信號還是運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓.由K型熱電偶分度表可知，輸出電壓的變化量隨著溫度的變化很小其值為40μV/℃左右。因此,綜合考慮選擇輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流、輸入偏置電流、溫漂系數(shù)低都盡量小以及性價(jià)比高的運(yùn)算放大器0P07.
3.2.2失調(diào)電壓補(bǔ)償?shù)姆糯箅娐?br />       如果輸入失調(diào)電壓過大,那么會影響運(yùn)算放大器的精度,甚至使運(yùn)算放大器不能正常工作。因此，將運(yùn)算放大器的一個(gè)輸入端電壓為零,在運(yùn)算放大器的另一個(gè)輸入端外加可調(diào)節(jié)的電壓，使得運(yùn)算放大器的輸出電壓為零或接近于零，可以補(bǔ)償運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓。如圖3所示，在同相放大電路中，0P07的反相輸入端接-一個(gè)可調(diào)電位器RV215,.1,可調(diào)電位器通過一-個(gè)電阻R6、R3、R4接到0P07的反相輸入端。輸入失調(diào)電壓補(bǔ)償范圍的表達(dá)式為
 

4仿真結(jié)果

      Proteus軟件能夠?qū)﹄娐吩O(shè)計(jì)、單片機(jī)控制、傳感器檢測等進(jìn)行仿真.將圖2和圖3的電路結(jié)合在一起，在Proteus仿真環(huán)境下繪制K型熱電偶的測溫電路。使用LM35溫度傳感器作為冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆抡鏀?shù)據(jù)如表2所示,冷端溫度補(bǔ)償電壓的最大誤差約為10μV。由測溫電路輸出的電壓值計(jì)算出熱電偶的產(chǎn)生的熱電勢,查表得出被測溫度的仿真數(shù)據(jù)如表3所示,在0~500℃溫度范圍內(nèi)，測量電路獲得的溫度與實(shí)際被測溫度的誤差約為1℃左右。
5結(jié)束語
      本文設(shè)計(jì)的K型熱電偶測溫電路重點(diǎn)說明熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ琍roteus仿真結(jié)果表明這種電路測量溫度誤差小。并且,利用Proteus仿真溫度傳感器測溫能夠替代實(shí)際電路，有效降低設(shè)計(jì)成本。