熱電偶測溫電路設(shè)計與仿真

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，利用運算放大器對熱電偶輸出的電壓放大,并且補償運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行溫度補償。Proteus軟件對測溫電路進行仿真,結(jié)果表明電路設(shè)計簡便,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)生的電壓信號進行處理,并且利用Proteus軟件對于整個測溫電路進行設(shè)計和仿真。
1熱電偶測溫電路的結(jié)構(gòu)

      如圖1所示，整個測溫電路由K型熱電偶溫度傳感器、冷端溫度補償電路、電壓放大電路及其失調(diào)電壓補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，使用LM35集成溫度傳感器補償冷端溫度的偏差電壓。運算放大器0P07對熱電偶產(chǎn)生的熱電勢進行放大，并對0P07自身固有的輸入失調(diào)電壓的誤差進行補償、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兩個接觸點溫度不同時，閉合回路中產(chǎn)生熱電勢。在實際工程中,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，可以采用冷端溫度補償法,利用修正后的熱電勢查分度表獲得被測的熱端溫度。冷端溫度補償表達式為

      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，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,通過調(diào)節(jié)滑動變阻器RV1,使tn點的電壓補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。在進行電壓放大的時候,需要考慮運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)低等運算放大器的參數(shù)。

      如表1所示，對常用的運算放大器的主要特性進行比較。其中,輸入失調(diào)電壓是一個非常重要的參數(shù)。當(dāng)放大器的輸入電壓為零時,實際輸出的電壓不為零,這個輸出電壓稱為失調(diào)電壓。當(dāng)輸入的有用信號電壓較小時,普通運算放大器的輸入失調(diào)電壓較大，運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比高的運算放大器0P07.
3.2.2失調(diào)電壓補償?shù)姆糯箅娐?br />       如果輸入失調(diào)電壓過大,那么會影響運算放大器的精度,甚至使運算放大器不能正常工作。因此，將運算放大器的一個輸入端電壓為零,在運算放大器的另一個輸入端外加可調(diào)節(jié)的電壓，使得運算放大器的輸出電壓為零或接近于零，可以補償運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-一個可調(diào)電位器RV215,.1,可調(diào)電位器通過一-個電阻R6、R3、R4接到0P07的反相輸入端。輸入失調(diào)電壓補償范圍的表達式為
 

4仿真結(jié)果

      Proteus軟件能夠?qū)﹄娐吩O(shè)計、單片機控制、傳感器檢測等進行仿真.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償?shù)姆抡鏀?shù)據(jù)如表2所示,冷端溫度補償電壓的最大誤差約為10μV。由測溫電路輸出的電壓值計算出熱電偶的產(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際被測溫度的誤差約為1℃左右。
5結(jié)束語
      本文設(shè)計的K型熱電偶測溫電路重點說明熱電偶冷端溫度補償、運算放大器的失調(diào)電壓補償?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際電路，有效降低設(shè)計成本。