测控电路课设课设....基于热电偶的温度测量调理电路设计

1、.燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位： 仪器科学与工程系 学 号学生姓名专业（班级）10级检测一班设计题目基于热电偶的温度测量调理电路设计设计技术参数设计基于运算放大器的热电偶传感器输出信号调理电路以及冷端补偿电路。以n型热电偶为例，对其在500到1000度测温范围内的输出信号进行放大。输出信号为直流0到2.5v。设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：给出系统原理图、关键器件的参数及设计依据；3：完成电路的multisim仿真；工作量1：完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）；2：提交一份电路原理图；工作计划周一上午到周二上午，教室内做理

2、论设计；周二下午到周五上午，自己有计算机的同学在教室内做multisim仿真，没有计算机的同学到实验室进行电路仿真；周五下午，教室内整理设计材料、准备撰写设计说明书参考资料1:基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计；2：模拟电子技术；3：电路理论；4：数字电子技术；指导教师签字温江涛基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2013年6月28日目 录第1章 摘要3第2章 本设计的意义3 第3章 设计原理3 3.1 热电偶33.2 热电偶工作原理43.3 热电偶材料的选择53.4 n型热电偶的分度表63.5 冷端补偿电路7 3.6 运算放大器的设计11第4

3、章 参数计算及仿真分析12 4.1 补偿电路的计算12 4.2 运算放大器的计算 13 4.3 仿真器仿真图示 13第五章 心得体会20参考文献21第一章 摘要本文所要设计的是基于运算放大器的具有冷端补偿的热电偶测温。所要设计包括三部分，热电偶，冷端补偿，运算放大器。热电偶选用的为n型热电偶，补偿采用是桥式补偿电路，运算放大器则用的是运放比例较大而输出阻抗比较小的仪器仪表放大器。第二章 本设计的意义温度是一个基本的物理量，在工业生产和实验研究中，如机械、食品、化工、电力、石油、等领域，温度常常是表征对象和过程状态的重要参数，温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1

4、990年，温度传感器的市场份额大大超过其他的传感器，从17世纪处伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。本设计中正是关于温度的测量，采用热电偶温度测量具有很多的好处，它具有结构简单，制作方便，测量范围广，精度高，惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子，管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。 热电偶作为一种温度传感器，热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。热电偶可以直接测量各种生产中从0到1300范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。第三章 设计原理3.1 热电偶热电偶是目前工业

5、上营运较为广泛的热电式传感器，热电偶是一种发电型的温敏元件，她将温度信号转换成电动势信号，配以测量电动势信号的仪器或变送器，便已实现温度的测量或温度信号的变换。热电偶应用广泛的原因是因为它具有如下的特点：、装配简单，更换方便；热电偶（图1）、测量精度高，测温精度可达0.10.2，仅次于热电阻；、测量范围大（2001300，特殊情况下2702800）；、热响应时间快，其时间常数可达毫秒级甚至微秒级；、机械强度高，耐压性能好；、耐高温可达2800度；、使用寿命长。3.2 热电偶的工作原理将两种性质不同的的金属丝或合金a与b的两个端头焊接在一起，就构成了热电偶，a，b叫做热电丝，也叫做热偶丝，也叫做

6、热电极。如图2所示。在闭合的回路旁边放置一个小磁针，当热电偶两端的文图t=t0时，磁针不动；当tt0时，磁针发生偏转，说明回路中产生电流，这中电流成为热点流。当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。这就是所谓的塞贝克效应。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1、热电偶

7、的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；2、热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；3、当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体a和b焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导体a和b的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流。热电偶就是利用这一效应来工作的图2 电偶测温示意图3.3 热电偶

8、材料的选择热电偶通常分为标准化热电偶和非标准化热电偶两类。标准化热电偶是指制造工艺比较成熟，应用广泛，能成批生产，性能优良而稳定，并以利尔工业标准话元件中的那些热电偶。标准化热电偶具有统一的分度表，常见的七种标准热电偶是r型、s型、b型、k型、e型、j型、t型。n型热电偶为廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶。本设计要求在500到1200度范围内的输出信号进行放大，而n型热电偶比较合适，因此我们选择n型热电偶来进行。n型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。n型热电偶为廉金属热电偶，是一种最新

9、国际标准化的热电偶，是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的它克服了k型热电偶的两个重要缺点：k型热电偶在300500间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定；在800左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。n型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于k型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶.n型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。n型热电偶的优点1、在1300以下调温抗氧化能力强；2、长期稳定性及短期热循环复现性好；3、

10、耐核辐射及耐低温性能好；4、在4001300范围内，n型热电偶的热电特性的线性比k型偶要好；3.4 n型热电偶的分度表表1.镍铬硅镍硅热电偶(n型)e(t)分度表t/0102030405060708090-300-4.345-4.336-4.313-4.277-4.226-4.162-4.083-200-3.990-3.884-3.766-3.634-3.491-3.336-3.171-2.994-2.8082.612-100-2.407-2.193-1.972-1.7441.509-1.269-1.023-0.772-0.518-0.26000.0000.2610.5250.7931.065

11、1.3401.6191.9022.1892.4801002.7743.0723.3743.6803.9894.3024.6184.9375.2595.5852005.9136.2456.5796.9167.2557.5977.9418.2888.6378.9883009.3419.69610.05410.41310.77411.13611.50111.86712.23412.60340012.97413.34613.71914.09414.46914.84615.22515.60415.98413.36650016.748171.1317.51517.90018.28618.67219.059

12、19.44719.83520.22460020.61321.00321.39321.78422.17522.56622.95823.35023.74224.13470024.52724.91925.31225.70526.09826.49126.88327.27627.66928.06280028.45528.84729.23929.63230.02430.41630.80731.19931.59031.98190032.37132.76133.15133.54133.93034.31934.70735.09535.48235.869100036.25636.64137.02737.41137

13、.79538.17938.56238.94439.32639.706110040.08740.46640.84541.22341.60041.97642.35242.72743.10143.474120043.84644.21844.58844.95845.32645.69446.06046.42546.78947.152130047.5133.5 冷端补偿电路热电偶输出电动势是两结点温度差的函数。为了使输出的热电动势是被测温度的单一函数，通常要求冷端t0保持恒定。而热电偶分度表示以冷端温度等于0摄氏度为条件的，因此，只有在满足t0=0的条件，才能直接用分度表。所以使用热电偶测温时，冷端若不是

14、0，测温结果会有误差。一般情况下，只有在实验室才可能保证0的条件，而通常的工程测温中，冷端温度大多处于室温或一个波动的温度区，这时要测出实际的温度，就必须采取冷端温度补偿措施。简单介绍几种冷端补偿方法：1. 冰点法这种方法需要冰点容器，即将冷端直接放在恒为0的恒温容器中，此时不需要考虑冷端温度补偿或修正。一般将纯净水与冰混合，在一个大气压下共存时，其温度为0。冰点法师一种高精度的测温方法，但使用麻烦，仅使用在实验室。工业生产及现场测温使用极为不方便。2. 温度修正法在实际应用中，热电偶冷端保持0很不方便，但是总可以保持在某一个不变的温度，此时可根据冷端温度修正方法进行修正。根据中间温度定律：e

15、ab（t，t0）=eab（t，tn）+eab（tn，t0） 当冷端温度不是0时，而是tn时，热电偶输出电动势为eab（t，tn），而不是eab（t，t0），故不能直接使用分度表，还必须加上eab（tn，t0），才能使用分度表，查的被测温度t的正确值。3. 补偿导线法实际应用中，为保持热电偶冷端温度t0的稳定，减小冷端温度变化产生的误差，需要将热电偶的冷端延伸至数十米外的仪器或控制器中去，根据中间导体定律，可以使用第三种廉价的导体将测量时的仪表和观测点延长至远离热端的位置，而不影响热电偶的热电动势。这种补偿导线应选用直径大，导热系数大的材料制作，以减小热电偶回路的电阻，节省电极材料，同时补偿导线

16、的热电性能还应与电极丝相匹配。表.2 .补偿导线的分类及分度号名称热电偶补偿导线型号补偿导线合金丝名称s型热电偶补偿导线sc或rc铜-铜镍0.6k型热电偶补偿导线kc铜-铜镍40kx镍铬10-镍硅3n型热电偶补偿导线nc铁-铜镍nx镍铬硅-镍硅镁e型热电偶补偿导线ex镍铬10-铜镍45j型热电偶补偿导线jx铁-铜镍45t型热电偶补偿导线tx铜-铜镍45钨铼热电偶补偿导线wrec铜-铜镍1)补偿导线分类：从原理上讲可分为延长型与补偿型。延长性的补偿导线其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶相同，因而热电动势也相同，在型号中延长型以“x”表示，补偿型以“c”表示，其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶

17、不同，但在其工作范围内，热电动势与所配用的热电偶的热电动势标称值极为接近。注意： 各种分度号的补偿导线只能与相同分度号的热电偶配用，否则可能产生欠补偿或过补偿。4. 补偿系数修正法利用中间温度定律可以求出t0!=0时的热电动势，该方法精确，但繁琐。因此实际工程常采用补偿系数修正法实现补偿。设冷端温度为t0，此时测得温度为t1，其实际温度为t=t1+k*t0 式中:k为修正系数。k的取值可以查表获得表3 几种常用热电偶的修正系数k工作端温度t/热电偶种类铜-康铜镍铬-康铜铁-康铜镍铬-镍硅铂铑-铂01.001.001.001.001.00201.001.001.001.001.001000.86

18、0.901.001.000.822000.770.830.991.000.72.5. 补偿电桥法补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势变化值。补偿电路： uab图3 补偿电路参数计算在下章介绍，图中各参数待定。原理：桥式补偿电路可以说是一种传统的补偿方式，在许多仪表中得到应用，如图所示，电桥的四臂电阻中有三个位固定阻值（其为锰铜线绕制，电阻温度系数很小，其值不随温度被动儿变化），令r3电阻为铜线绕制的电阻rt，即补偿电阻，其阻值与温度变化为线性关系，且该臂必须和热电偶的冷端靠近，使之处于同一温度下。r5为限流电阻，其阻值取决于热电偶材料。rt如（1）式

19、所示 （1） 式中 温度为0时的铜电阻值 a铜电阻温度系数， ，一般情况下a=0.0044 t铜电阻所处的环境温度，亦即热电偶的冷端温度。使用时，选择铜电阻的阻值使桥路在某一温度处于平衡状态，此时电桥输出=0。当冷端温度升高时，rcu的阻值改变，增大，电桥失去平衡，uab也随之加大，而热电偶的热电动势eab却随着温度升高而减小。若uab的变化量等于eab的减小量，那么总的电压输出，u（u=e+u）的大小就不随冷端温度而变化。设计时，在0下是补偿电桥平衡（r1=r2=r3=rcu），此时uab=0，电桥对仪表读数无影响，并在040或者-2020的范围其补偿的作用。3.6 运算放大电路设计 热电偶

20、输出的是毫伏级的电压，要求为伏安级，所以采用差分放大器的仪器仪表放大器，它具有很低的输出阻抗，精确和稳定的增益，一般在1v/v到1000v/v放大倍数，极高的工模抑制比。原理图如下图所示：图4 运算放大电路第四章 参数计算及仿真分析4.1 冷端补偿电路参数计算原冷端补偿电路电路可以转化为下图；图5 补偿电路示意图若r1=r2=r4=rt0,则桥路的输出电压uab=v12；vr=v1（桥路电压） (2) 当t=0时，=0，;当t0时，;当时，。当,(2)式可变成： (3)由（3）式可见，与成正比；而当不满足条件，由（2）式可知， 与呈现非线性关系，即单臂电桥的输出，严格来说是与桥臂变化量成非线性

21、关系。电桥电压的温度系数为： (4) 设温度090范围，热电偶电势温度系数为常数，记为k。欲实现冷端温度补偿，应使k与（4）式相等，即： (5)上式可见，桥路供电电源是与热电偶的分度号和铜电阻的规格有关，应为： （6）当的负载电阻为,如中电流选为i值，于是可定出值： (7)上述两个式子即为桥式补偿电路的基本公式。i的选择，一方面希望它小，以减少的供给和,的发热，另一方面i太小会使得桥路的输出电阻增大，也是不适合的。由第1章介绍，n型热电偶的塞贝克常数k为0.027mv/，a=0.0044,i=10ma,则=24.545mv, =1.2273.4.2 运算放大电路参数计算运算放大电路电路图如图6

22、所示：图6 仪用放大器参数计算图1. 放大倍数的计算：由n型热电偶分度表知，500电动势为16.748mv,1000为36.256mv，由于输出电压要求02.5v故放大倍数为：、 a=（2.5-0）/（36.256-16.748） =128.1526 ，取为128.1525倍 由于仪表放大器的增益为： a=（1+2*r3/rg） *（r1/r2） 取r1=1k,r3=3*rg,rg=1k，r2=18.31k2. 偏置电压的确定：因为500的电动势为16.748mv，放大以后为：16.748mv*128.1525=2.1463v 故取偏置电压为2.1463v1. 放大倍数的计算：由n型热电偶分度

23、表知，500电动势为16.748mv,1000为36.256mv，由于输出电压要求02.5v故放大倍数为：、 a=（2.5-0）/（36.256-16.748） =128.1526 ，取为128.1525倍 由于仪表放大器的增益为： a=（1+2*r3/rg） *（r1/r2） 取r1=1k,r3=3*rg,rg=1k，r2=18.31k2. 偏置电压的确定：因为500的电动势为16.748mv，放大以后为：16.748mv*128.1525=2.1463v 故取偏置电压为2.1463v4.3 仿真分析电路分加和未加滤波器两类，通过比较某一个具体值，分析电路的放大效果。图7未加滤波电路函数发生

24、器图8示图8 信号发生器参数图示波器如图9所示：图9 示波器截图分析：通道a接入输出信号，通道b接入输入信号。用函数发生器来模拟热电偶，函数发生器设定如上页图所示。读图：理论放大倍数为128.1525.图中a=2.446v/19.019mv=128.6082由于温度500放大对应值与要求0v存在偏置电压，显示结果是比要求的02.5v对应大一个偏置电压的。下面将在加滤波器电路后介绍修正电路，使结果近似显示02.5v。图10 加上滤波器总图图11 观测值分析（加滤波器后）取跟未加滤波器接近值截取如上所示。a=2.426/19.023*1000=127.5298图9 修正偏置图12 修正偏置图13 30mv实际输出值图14 30mv在加入偏置后实际输出值如上图所示，在放大环节后面再加一个运放， vref输出不仅是放大电路后面的值，还应该加上vref。通过电阻分配将vref=偏置电压2.416.这样显示结果在除去误差影响外，基本符合要求。将函数发生器换做直流源，输入30mv电压。没有考虑偏置时，输出理想值为30mv*128.1525=3.8445