熱電偶測溫電路設計與仿真

摘要:K型熱電偶測量中高溫度。隨著(zhù)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電壓。LM35對熱電偶測溫電路的冷端進(jìn)行溫度補償。Proteus軟件對測溫電路進(jìn)行仿真,結果表明電路設計簡(jiǎn)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℃)、性能穩定、結構簡(jiǎn)單,直接將溫度轉換成電壓的特性,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(guò)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)行設計和仿真。
1熱電偶測溫電路的結構

      如圖1所示，整個(gè)測溫電路由K型熱電偶溫度傳感器、冷端溫度補償電路、電壓放大電路及其失調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。當熱電偶的冷端溫度不為零時(shí)，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(jìn)行放大，并對0P07自身固有的輸入失調電壓的誤差進(jìn)行補償、調零。
2熱電偶測溫原理[3]
      熱電偶由兩種不同的金屬A和B構成。當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。當熱電偶的冷端溫度不為零時(shí)，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，LM35溫度傳感器輸出的電壓與攝氏溫度是--種線(xiàn)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)現與K型熱電偶相同的靈敏度。當熱電偶測溫電路的冷端溫度不為零時(shí),通過(guò)調節滑動(dòng)變阻器RV1,使tn點(diǎn)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(zhù)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(mǎn)足一定分辨率。在進(jìn)行電壓放大的時(shí)候,需要考慮運算放大器的輸入失調電壓、輸入失調電流、輸入偏置電流、溫漂系數低等運算放大器的參數。

      如表1所示，對常用的運算放大器的主要特性進(jìn)行比較。其中,輸入失調電壓是一個(gè)非常重要的參數。當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(chēng)為失調電壓。當輸入的有用信號電壓較小時(shí),普通運算放大器的輸入失調電壓較大，運算放大電路就無(wú)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電壓.由K型熱電偶分度表可知，輸出電壓的變化量隨著(zhù)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電壓、失調電流、輸入偏置電流、溫漂系數低都盡量小以及性?xún)r(jià)比高的運算放大器0P07.
3.2.2失調電壓補償的放大電路
      如果輸入失調電壓過(guò)大,那么會(huì )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(gè)輸入端電壓為零,在運算放大器的另一個(gè)輸入端外加可調節的電壓，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)可調電位器RV215,.1,可調電位器通過(guò)一-個(gè)電阻R6、R3、R4接到0P07的反相輸入端。輸入失調電壓補償范圍的表達式為
 

4仿真結果

      Proteus軟件能夠對電路設計、單片機控制、傳感器檢測等進(jìn)行仿真.將圖2和圖3的電路結合在一起，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的仿真數據如表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據如表3所示,在0~500℃溫度范圍內，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結束語(yǔ)
      本文設計的K型熱電偶測溫電路重點(diǎn)說(shuō)明熱電偶冷端溫度補償、運算放大器的失調電壓補償的方法，Proteus仿真結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，有效降低設計成本。