熱電偶傳感器的基本定律

　　1、等值定律，熱電偶熱電勢的大小和方向由熱電偶材料和工作端與自由端的溫差決定，而與其他因素?zé)o關(guān)。因此，當(dāng)工作端與自由端的溫度相等時，其熱電勢為零;當(dāng)熱電偶回路中插入第三種導(dǎo)線材料時，只要第三種材料兩端的溫度相等，熱電偶回路熱電勢的大小和方向都不會改變。

　　2、分值定律、兩端溫度T1、T2 熱電偶的熱電勢等于同種熱電偶在兩端溫度分別為T1、T3 和T3、T2 時的兩個熱電偶熱電勢之和，T3 為T1 和T2 間任意溫度。濕度傳感器探頭, ,不銹鋼電熱管 PT100傳感器, ,鑄鋁加熱器,加熱圈  流體電磁閥

　　3、疊加定律當(dāng)熱電偶回路中有多種導(dǎo)線材料相接構(gòu)成多個熱電偶時，回路總的熱電勢等于以各結(jié)點(diǎn)為工作端、以各結(jié)點(diǎn)兩邊導(dǎo)線為熱電偶電極對同一冷端的熱電勢的代數(shù)和。

　　4、交換定律當(dāng)熱電偶回路中有多個熱電偶串接時，若各熱電偶兩端的溫度相等，各熱電偶的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極之間可以互換，回路總的熱電勢不變。

　　熱電偶傳感器的精度高，測量溫度范圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。

　　熱電偶傳感器的特點(diǎn)

　　1、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、 精度高、 慣性小和輸出信號便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。

　　2、熱電偶傳感器是一種有源傳感器，測量時不需要外加電源，是一種有源傳感器，電源，使用十分方便，常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體 的表面溫度。

　　熱電偶傳感器的工作原理　　熱電偶傳感器主要按照熱電效應(yīng)來工作。將兩種不同的導(dǎo)體A 和B 連接起來，組成一個閉合回路，即構(gòu)成感溫原件。當(dāng)導(dǎo)體A 和B的兩個接點(diǎn)1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因而在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，也叫溫電效應(yīng)。

　　熱電偶傳感器冷端的溫度補(bǔ)償

　　由于熱電偶的材料一般都比較貴重(特別是采用貴金屬時)，而測溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端(自由端)延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。

　　一、熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用

　　下面介紹一個典型的單片機(jī)控制的測溫系統(tǒng)，它由三大部分組成：(1)測量放大電路;(2)A/D轉(zhuǎn)換電路;(3)顯示電路。它廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、化工廠的測溫及溫度控制系統(tǒng)中。

　　1、硬件設(shè)計

　　(1) 熱電偶溫度傳感器

　　本系統(tǒng)使用鎳鉻—鎳硅熱電偶，被測溫度范圍為0～655℃，冷端補(bǔ)償采用補(bǔ)償電橋法，采用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。不平衡電橋由電阻R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、Rcu(銅絲繞制)四橋臂和橋路穩(wěn)壓源組成，串聯(lián)在熱電偶回路中。Rcu與熱電偶冷端同處于±0℃,而R1=R2=R3=1Ω，橋路電源電壓為4V，由穩(wěn)壓電源供電，Rs為限流電阻，其阻值因熱電偶不同而不同，電橋通常取在20℃時平衡，這時電橋的四個橋臂電阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端無輸出。當(dāng)冷端溫度偏離20℃時，例如升高時，Rcu增大，而熱電偶的熱電勢卻隨著冷端溫度的升高而減小。Uab與熱電勢減小量相等，Uab與熱電勢迭加后輸出電勢則保持不變，從而達(dá)到了冷端補(bǔ)償?shù)淖詣油瓿伞?/span>

　　(2) 測量放大電路

　　實(shí)際電路中，從熱電偶輸出的信號*多不過幾十毫伏(<30mV)，且其中包含工頻、靜電和磁偶合等共模干擾，對這種電路放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此宜采用測量放大電路。測量放大器又稱數(shù)據(jù)放大器、儀表放大器和橋路放大器，它的輸入阻抗高，易于與各種信號源匹配，而它的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流及輸入偏置電流小，并且溫漂較小。由于時間溫漂小，因而測量放大器的穩(wěn)定性好。由三運(yùn)放組成測量放大器，差動輸入端R1和R2分別接到A1和A2的同相端。輸入阻抗很高，采用對稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測信號直接加到輸入端，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號的能力。A3實(shí)際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。測量放大器的放大倍數(shù)為：AV=V0/(V2-V1)，AV=Rf/R(1+(Rf1+Rf2)/RW)。在此電路中，只要運(yùn)放A1和A2性能對稱(主要指輸入阻抗和電壓增益)，其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗和共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感，適宜于測量遠(yuǎn)距離傳輸過來的信號，因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用。RW是用來調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，在此用多圈電位器。

　　實(shí)際電路中A1、A2采用低漂移高精度運(yùn)放OP-07芯片，其輸入失調(diào)電壓溫漂αVIOS和輸入失調(diào)電流溫漂αIIOS都很小，OP-07采用超高工藝和“齊納微調(diào)”技術(shù)，使其VIOS、IIOS、αVIOS和αIIOS都很小，廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密加法、比校檢波和微弱信號的精密放大等。OP-07要求雙電源供電，使用溫度范圍0～70℃，一般不需調(diào)零，如果需要調(diào)零可采用RW進(jìn)行調(diào)整。A3采用741芯片，它要求雙電源供電，供電范圍為±(3～18)V，典型供電為±15V，一般應(yīng)大于或等于±5V，其內(nèi)部含有補(bǔ)償電容，不需外接補(bǔ)償電容。

　　(3) A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)換電路

　　經(jīng)過測量放大器放大后的電壓信號，其電壓范圍為0～5V，此信號為模擬信號，計算機(jī)無法接受，故必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。實(shí)際電路中，選用ICL7109芯片。ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價格低廉的雙積分型12位A/D轉(zhuǎn)換器。由于目前12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器價格較高，因此在要求速度不太高的場合，如用于稱重測壓力、測溫度等各種傳感器信號的高精度測量系統(tǒng)中時，可采用廉價的雙積分式12位A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109。ICL7109主要有如下特性：(1)高精度(**到1/212=1/4096);(2)低噪聲(典型值為15μVP-P);(3)低漂移(<1μV/℃);(4)高輸入阻抗(典型值1012Ω);(5)低功耗(<20mW);(6)轉(zhuǎn)換速度*快達(dá)30次/秒，當(dāng)采用3.58MHz晶振作振源時，速度為7.5次/秒;(7)片內(nèi)帶有振蕩器，外部可接晶振或RC電路以組成不同頻率的時鐘電路;(8)12位二進(jìn)制輸出，同時還有一位極性位和一位溢出位輸出;(9)輸出與TTL兼容，以字節(jié)方式(分高低字節(jié))三態(tài)輸出，并且具有VART掛鉤方式，可以用簡單的并行或串行口接到微處理系統(tǒng);(10)可用RVNHOLD(運(yùn)行/保持)和STATUS(狀態(tài))信號監(jiān)視和控制轉(zhuǎn)換定時;(11)所有輸入端都有抗靜電保護(hù)電路。

　　ICL7109內(nèi)部有一個14位(12位數(shù)據(jù)和一位極性、一位溢出)的鎖存器和一個14位的三態(tài)輸出寄存器，同時可以很方便地與各種微處理器直接連接，而無需外部加額外的鎖存器。ICL7109有兩種接口方式，一種是直接接口，另一種是掛鉤接口。在直接接口方式中，當(dāng)ICL7109轉(zhuǎn)換結(jié)束時，由STATUS發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束指令到單片機(jī)，單片機(jī)對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)分高位字節(jié)和低位字節(jié)進(jìn)行讀數(shù)。在掛鉤接口方式時，ICL7109提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換模式，適用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ICL7109為40線雙列直插式封裝，各引腳功能參考相關(guān)文獻(xiàn)。

　　(4) ICL7109與89C51的接口

　　本系統(tǒng)采用直接接口方式，7109的MODE端接地，使7109工作于直接輸出方式。振蕩器選擇端(即OS端，24腳)接地，則7109的時鐘振蕩器以晶體振蕩器工作，內(nèi)部時鐘等于58分頻后的振蕩器頻率，外接晶體為6MHz，則時鐘頻率=6MHz/58=103kHz。積分時間=2048×時間周期=20ms，與50Hz電源周期相同。積分時間為電源周期的整數(shù)倍，可抑制50Hz的串模干擾。

　　在模擬輸入信號較小時，如0～0.5伏時，自動調(diào)零電容可選比積分電容CINT大一倍，以減小噪聲，CAZ的值越大，噪聲越小，如果CINT選為0.15μF，則CAZ=2CINT=0.33μF。

　　由傳感器傳來的微弱信號經(jīng)放大器放大后為0～5V，這時噪聲的影響不是主要的，可把積分電容CINT選大一些，使CINT=2CAZ，選CINT=0.33μF，CAZ=0.15μF，通常CINT和CAZ可在0.1μF至1μF間選擇。積分電阻RINT等于滿度電壓時對應(yīng)的電阻值(當(dāng)電流為20μA、輸入電壓=4.096V時，RINT=200kΩ)，此時基準(zhǔn)電壓V+RI和V-RI之間為2V，由電阻R1、R3和電位器R2分壓取得。

　　本電路中，CE/LOAD引腳接地，使芯片一直處于有效狀態(tài)。RUN/HOLD(運(yùn)行/保持)引腳接+5V，使A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行。

　　A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時，STATUS引腳輸出高電平，STATUS引腳降為低電平時，由P2.6輸出低電平信號到ICL7109的HBEN，讀高4位數(shù)據(jù)、極性和溢出位;由P2.7輸出低電平信號到LBEN，讀低8位數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中盡管CE/LOAD接地，RUN/HOLD接+5V，A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行，然而如果89C51不查詢P1.0引腳，那么就不會給出HBEN、LBEN信號，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果不會出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線D0～D7上。不需要采集數(shù)據(jù)時，不會影響89C51的工作，因此這種方法可簡化設(shè)計，節(jié)省硬件和軟件。

　　(5)顯示電路

　　采用3位LED數(shù)碼管顯示器，數(shù)碼管的段控用P1口輸出，位控由P3.0、P3.1、P3.2控制。7407是6位的驅(qū)動門，它是一個集電極開路門，當(dāng)輸入為“0”時輸出為“0”;輸入為“1”時輸出斷開，須接上位電路。共用兩片7407，分別作為段控和位控的驅(qū)動。數(shù)碼管選共陽極接法，當(dāng)位控為“1”時，該數(shù)碼管選通，動態(tài)顯示用軟件完成，節(jié)省硬件開銷。