熱電偶的應用

來源：安徽天康（集團）股份有限公司 2009年12月24日 19:05

一,、熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)的設計應用

        下面介紹一個典型的單片機控制的測溫系統(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、硬件設計

　?。?）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℃，冷端補償采用補償電橋法,，采用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補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
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，從而達到了冷端補償?shù)淖詣油瓿伞?

　?。?）測量放大電路

         實際電路中,，從熱電偶輸出的信號zui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，從而保證了較強的抑制共模信號的能力,。A3實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,。

          實際電路中A1、A2采用低漂移高精度運放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，使其VIOS,、IIOS,、αVIOS和αIIOS都很小，廣泛應用于穩(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,，一般應大于或等于±5V，其內(nèi)部含有補償電容,，不需外接補償電容,。

　　（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，計算機無法接受,，故必須進行A/D轉(zhuǎn)換,。實際電路中，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zui快達30次/秒，當采用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,，單片機對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)分高位字節(jié)和低位字節(jié)進行讀數(shù),。在掛鉤接口方式時，ICL7109提供工業(yè)標準的數(shù)據(jù)交換模式,，適用于遠距離的數(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文獻,。

　?。?） 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的電阻值（當電流為20μA,、輸入電壓=4.096V時,，RINT=200kΩ），此時基準電壓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（運行/保持）引腳接+5V,，使A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進行,。

         A/D轉(zhuǎn)換正在進行時,，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,。硬件原理如圖1所示。

　　

　　

　　2,、軟件設計

         ICL模塊：從A/D轉(zhuǎn)換器讀取結(jié)果的模塊,，它連續(xù)讀3次,，讀出3個結(jié)果分別存放于內(nèi)部30H～35H單元（雙字節(jié)存放）。

        WAVE數(shù)字濾波模塊：它是將ICL模塊輸出的3個結(jié)果排序,，取中間的數(shù)作為選用的測量值,。此模塊可以避免因電路偶然波動而引起的脈沖量的干擾，使顯示數(shù)據(jù)平穩(wěn),。



--------------------------------------------------------------------------------

         MODIFY模塊：它是補償熱電偶冷端器25℃時的量值,，相當于儀表中的零點調(diào)到25℃，稱此模塊為零點校正模塊（此溫度為室溫）,。YA查表模塊：它是核心模塊,。表格數(shù)據(jù)是按一定規(guī)律增長的數(shù)據(jù)（0～655℃），表格中電壓值與溫度值一一對應,，表格中的電壓值是熱電偶輸出信號乘以放大倍數(shù)（150）以后的結(jié)果，變成十六進制數(shù)進行存放,，低位在前,，高位在后，因而它的數(shù)據(jù)地址可以代表溫度值,，用查找的內(nèi)容的地址減去表格首地址0270H后再除以2（雙字節(jié)存放）即為溫度值,。此數(shù)據(jù)為十六進制數(shù)還需進行二十進制轉(zhuǎn)換（CLEAN），再送顯示器顯示,。

3樓

　
　　查表法：采用二分查找法,，DP先找對半值（MIDDLE）同轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)比較（COMPARE），看屬哪一半,，修改表格上下限值,，再進行對半比較，經(jīng)過若干次后,，直到找到數(shù)據(jù)為止,，如果找不到，也就是說被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)介于表格中兩相鄰值之間,，則再調(diào)用取近值模塊（NEAR）,，選擇與被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)接近的那個數(shù)據(jù)作為查找到的數(shù)據(jù)，然后調(diào)用溫度值模塊（FIND）,，整個查表模塊就完成了從輸入到輸出的變化,。

相關產(chǎn)品

免責聲明

凡本網(wǎng)注明“來源：化工儀器網(wǎng)”的所有作品，均為浙江興旺寶明通網(wǎng)絡有限公司-化工儀器網(wǎng)合法擁有版權或有權使用的作品,，未經(jīng)本網(wǎng)授權不得轉(zhuǎn)載,、摘編或利用其它方式使用上述作品。已經(jīng)本網(wǎng)授權使用作品的,，應在授權范圍內(nèi)使用,，并注明“來源：化工儀器網(wǎng)”,。違反上述聲明者，本網(wǎng)將追究其相關法律責任,。
本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其他來源（非化工儀器網(wǎng)）的作品,，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點和對其真實性負責,，不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任,。其他媒體、網(wǎng)站或個人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時,，必須保留本網(wǎng)注明的作品第一來源,，并自負版權等法律責任。
如涉及作品內(nèi)容,、版權等問題,，請在作品發(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系，否則視為放棄相關權利,。

熱電偶的應用

免責聲明

聯(lián)系我們

關注我們