基于热电偶的温度测量电路设计

1、燕山大学课程设计说明书题目：基于热电偶的温度测量电路设计学院（系）：电气工程学院年级专业：学 号：学生姓名：指导教师：教师职称：燕山大学课程设计（论文）任务书学号学生姓名专业（班级）设计题目基于热电偶的温度测量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。自出-款热电偶，对其在 500到1200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；院（系）：电气工程学院基层教

2、学单位:工作计划查阅资料；周二到周四，理论设计及计算机仿真；周五，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。2011年6月26日燕山大学课程设计评审意见表资料.指导教师评语:成绩:指导教师:答辩小组评语:成绩：组长：课程设计总成绩:答辩小组成员签字:第1章摘要 2第2章引言 2第3章电路结构设计 23.1 热电偶的工作原理 23.2 冷端补偿电路设计 53.3 运算放大器的设计 6第4章参数设计及运算 84.1 补偿电路的计算 8

3、4.2 运算放大器的计算 94.3 仿真器仿真图示 10心得体会 12参考文献 13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K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。第二章引言在工业生产过程中， 温度是需要测量和控制的重要参数之一，在温度测量中，热点偶的应用极为广泛，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

4、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 c至111300 c范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。第三章电路结构设计3.1热电偶的工作原理热电偶是一种感温元件，是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体（称为热电偶丝材或热电极）组 成闭合回路，当接合点两端的温度不同，存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此 时两端之间就存在电动势一一热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份

5、的均 质导体为热电极，温度较高的一端为工作端（也称为测量端），温度较低的一端为自由 端（也称为补偿端），自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数 关系，制成热 电偶分度表；分度表是自由端温度在0 c时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶 所产生的热 电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测 温时，可接入测 量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。如图1所示图1其中1为热电偶2为导线3为测温测压放大电路我们要求在500到1200度范围内的输出信号进行放大，而K型热电

6、偶比较合适，因此我们选择 K型热电偶来进行。K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。温度Q10203040506070809095100QQ0.39690.79B11.2033L61182.0231243652.85123.26663.6B193.88924.09621004 09624 509149199&.32B4573456.13836 54Q26.94Q67347 73917 93878.13952003 13858 53868.93999.34219.747210d5341

7、0.561310 970911332111794712.00151220863D01220S612.623613.039613.456613.874514 293114.712615.132715.5536159751610616.397140016.397116 819817 243117.666918.Q91118.511580919366319.792120 218120431220 644350020.644321070621497121 9238223522776423.202723.628B24.054724.480224 692924,905560024 905525 33Q32

8、5.754726 178626.60227 024927.447127.E68623 289528 70962S,919429 12970Q29.12929.547629.96533Q.3B2230.798331.2113531.627732.04132.453432. B64933070333.275480。33.275433用49340934弘so13&907535.313135.717736.121236 523636.925437.125S37.325990037.325937 725538.12438.521538.91839.313539 70840.101540 4939

9、40 385341.080641 275610004127541.664942.053142.440342.326343,2111243.595143.977744.359344 739644 929345 11&7110045.118745.4S664587334良248746.622746.995547.366347.736848.105448.472648.65564B,8382120048.33B249.202449.56S149 9263&0.285S50-643951.000351355251.70B552.06D252 2354524103130Q52410352

10、758353.105353.451253795254137754.478854.818$K型热电偶的冷端热端在不同温度下产生的电势差如表1所示:3.2冷端补偿电路由热电偶的基本作用原理知道，一热电偶的测量温度主要决定于热端和冷端温度差所产生的热电势，如此虽然热端所处的温度保持恒定不变，但由于冷端产生不规则的温 度改变，则所测得的温度值也就成为一原理知道，一热电偶的测量温度主要决定于热端和冷端温度所产生的热电势，如此虽然热端变数，或不能代表被测处的实际温度。热电 偶温度补偿公式如下：E(t, 0)=E(t , t0)+E(t0 , 0)其中，E(t0 , 0)是实际测量的电动势，t代表热端温度，

11、t0代表冷端温度，0代表OC。在现场温度测量中，由于热电偶冷端温度一般不为OC,而是在一定范围内变化着，因此测得的热电势为 E(t, t。)。如果要测得真实的被测温度所对应的热电势E(t, 0),就必须补偿冷端不是0 c所需的补偿电势 E(t0, 0),而且，该补偿电势随冷端温度变化的特 性必须与热电偶的热电特性相一致，这样才能获得最佳补偿效果。我们常用补偿方式为桥式自动补偿电路，这种补偿方法是在靠近热电偶冷端地方置放构成桥式电路的一臂，此臂是由电阻温度系数较大的金属组成，一般采用馍铜，其余 三臂都由电阻温度系数较小的镒铜合金线构成。当冷端温度为零度时，电桥构成平衡状 态，若冷端温度产生改变，

12、馍铜的一臂的电阻也随同改变，则使电桥失去平衡或输出电 势，因为这输出电势的大小与冷端由于温度的变化所产生的热电势大小相等但方向相反，这样两者抵消，或冷端产生变化但对准确度的影响无关。这种补偿电路如图2所示：电压输出其中R2 R3 R4为不随温度变化的电阻，R1为随温度变化的电阻，R5为调节电源电压的可调电阻。3.3运算放大器的设计热电偶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。他的原理图如下图3示：图3在图中OA1和OA2构成常称之为输入级或第一级，而OA3构造输

13、出级，依据输入电压约束条件RG上的电压是V1-V2 ,依据输入电流约束条件，流过电阻R3与流过RG为同一个电流。由欧姆定律得放大倍数A = (1+20)*(旦)RGR2因为增益取决于外部电阻的比值，所以利用合适的电阻增益可以做得精确。由于OA1与OA2工作在同相结构，它们的闭环输入电阻极高，同样， OA3的闭环输出电阻也很低。最后，通过适当调节第二级电阻中的一个都能使CMRR达到最大。从而这个电路满足条件。第四章参数的计算4.1 冷端补偿电路如图4所示：设R2(0用R2(t向别彳t表R2 0时和t时的电阻，又设i为流经R2电流，电桥所提供 的电压为E。当冷端温度为0度时，电桥呈平衡，则：。 R

14、2R4当冷端变化t时，由于电桥失去平衡，输出电压电动势，i* g(t )R(0 y=R2(0k*t* i所以 e=R2*k*t*i由于 i*Ri +i*R2(0)=E 则得 Ri =E %(0)i令 Ri=R3 所以 R4=R2(0)在设计中，我们采用馍铭 馍铝合金线，补偿电阻采用馍铜，设其在 0度时的电阻 温度系数为0.00443 ,冷端温度补偿范围为 0-100度，又设通过 R2的电流为2毫安， 电压供电为1.5伏。我们从K型热电偶的温度表中得知，冷端在 0到100度时，所产生 的温度差大约为4毫伏左右所以 R2 0 )=2* 0.00443* 100 =4.627j则 R1=745.37

15、3 DR1 =R 3=745.373 R 2 =R 4 =4.6274.2 运算放大器的计算电路图如图5所示：由前面的计算公式:A = (1 2&)*(R1)RgR2在图中电=R7 R3 =旦RA=(1 2R5)*(R3)热电偶500度输出电压为 20.6443mv ,在1200度得输出电压为 28.1939mvv -48.8382-20.644328.1939mv放大电压为0-2.5v AV =2.5v所以 A i V /. v =89令R5=2R4=20KCR3 =R) =17.5电可得放大倍数为894.3 Multisim 仿真图K12:佃WV-:陆温今丽4.B27Q >4

16、.B2fQ 阳M :.VtGHDm 口函数发生器图7示:函数信号发生器-XFG1波形役署上升，下降时间I示波器如图8所示:。示波器-XK1在图示中，B通道的幅值为20mv , A通道的幅值约为1.8v则放大倍数约为90倍通过最右端时，通道 A的值为-1.040V通道B的值为11.993mvA = -1.040v/11.993mv =86.7因此在放大的时候 有一定的误差心得体会经过为期一周的测控电路课设，我学到了很多的东西。课程设计是培养学生综合运 用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的的重要环节是对学生 实际共组能力的具体训练和考察过程，它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结 合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，更重要的是同学间的团结，虽然 我们这次花去的时间比别人多，但我相信我们得到的也会更多！更为难得的是这次的课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力，通过题目的选择和 设计电路的过程中，加强了我思考问题的完整性和实际生活联系起来。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，和同学一起去图书馆借阅了大量的相关资料。其次就是又学会了 multisim仿真软件，并且加深了对测控电路知识的学习。虽然过去从未独立应用过它们,但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做