1、燕山大学课程设计说明书- 1 -第一章 热电偶测温的基本工作原理1.1 基本理论1.1.1 热电效应如图 1 所示两种导体 A 和 B 的两端分别焊接在一起，形成一个闭合回路。若两个接点处于不同的温度，回路中就会产生电动势（或称热电势） 。这种现象称为热电效应。A T(1) T0(2) B图 1-1-1 热电效应示意图1.1.2 热电偶回路的总热电势图中 A 和 B 称为热电极，它们组成热电偶 AB。测温时接点（1）置于被测温场中，称为测量端，接点（2）一般处于某一恒定温度，称为参考端。热电偶两个电极材料确定以后，热电偶的热电势就只与热电偶两端温度有关。EAB=EAB(T)EAB(T0) （1
2、-1-2）1.2 热电偶测温的原理和方法由 1-1 式可知，如果使参考端温度 T0 保持不变，则对给定材料的热电偶，其热电势就只与工作端温度 T 成单值函数关系，即 EAB(T,T0) = f (T) (1-2-1)这个函数关系就是利用热电偶测温的原理。对给定的热电偶通过实验测得 T0 = 0，T取不同温度时的热电势数据，制成该热电势的分度表。有了这个分度表，今后再用该热电偶测量温度时，只要测得该热电偶的热电势 EAB(T,0)，就可查分度表，确定出对应的被测温度的数值 T，这种方法称为查表法。一般来说，热电偶的分度表和相配的测温仪表都是规定的参考温度 T0 为 0的情况下使用的。在参考温度
3、T0 为已知值，但不是 0的情况下，应采取如下计算修正的办法。若用查表法测温，则应在测出 EAB(T,T0)和已知 T0 后，先从分度表上查出与 T0 对应的EAB(T,0)值，再按中间温度定律，即 EAB(T,T0)= EAB (T, Tn ) + EAB (Tn,T0) (1-2-2)燕山大学课程设计说明书- 2 -计算出 EAB (T,0) 值,即 EAB(T,0) = EAB (T,T 0) + EAB (T0,0) (1-2-3) 最后从分度表查出与 EAB(T,0)对应的温度 T 值。第二章 热电偶的设计2.1 热电偶结构的选择 图 2.1 热电偶的结构表 2.2 镍铬-镍硅热电偶
4、（K 型）分度表镍铬-镍硅热电偶（K 型）分度表 （参考端温度为 0）0 10 20 30 40 50 60 70 80 90温度热电动势 mV0 0.000 0.397 0.798 1.203 1.611 2.022 2.436 2.850 3.266 3.681100 4.095 4.508 4.919 5.327 5.733 6.137 6.539 6.939 7.338 7.737200 8.137 8.537 8.938 9.341 9.745 10.151 10.560 10.969 11.381 11.793300 12.207 12.623 13.039 13.456 13.8
5、74 14.292 14.712 15.132 15.552 15.974400 16.395 16.818 17.241 17.664 18.088 18.513 18.938 19.363 19.788 20.214500 20.640 21.066 21.493 21.919 22.346 22.772 23.198 23.624 24.050 24.476600 24.902 25.327 25.751 26.176 26.599 27.022 27.445 27.867 28.288 28.709700 29.128 29.547 29.965 30.383 30.799 31.21
6、4 31.214 32.042 32.455 32.866800 33.277 33.686 34.095 34.502 34.909 35.314 35.718 36.121 36.524 36.925900 37.325 37.724 38.122 38.915 38.915 39.310 39.703 40.096 40.488 40.8791000 41.269 41.657 42.045 42.432 42.817 43.202 43.585 43.968 44.349 44.729燕山大学课程设计说明书- 3 -1100 45.108 45.486 45.863 46.238 46
7、.612 46.985 47.356 47.726 48.095 48.4621200 48.828 49.192 49.555 49.916 50.276 50.633 50.990 51.344 51.697 52.0491300 52.398 52.747 53.093 53.439 53.782 54.125 54.466 54.807 2.2 热电偶材料的选择 根据热电偶的中间导体定律，即EABC (T,T0)= EAB(T,T0)， 选择如图 2.1 的热电偶结构根据所测的温度范围 5001200以及常用热电偶材料的测温范围，选择 K 型镍铬-镍硅热电偶，其分度表如表 2.2。镍铬
8、-镍硅的测温范围是 01300满足所测范围。 第三章 热电偶的冷端处理 冷端温度补偿电路的设计3.1 冷端的恒温方式使冷端保持恒温的方法有，将冷端置于冰水混合物中或者置于恒温槽中，也可以将冷端置于温度缓慢变化的容器或者深埋于地下的铁盒或者充满绝缘热体的铁管中等等。其中“冰浴法”最适用于实验室，且若使用“冰浴法” ，因其保证了冷端温度为 0，所以不须用计算修正测量结果，所读得的电压值在分度表中对应的温度即为所测温度。3.2 冷端温度的波动自动补偿 3.2.1 补偿原理使冷端温度保持恒定需要冰浴法或者恒温槽, 而且当 T00时，还须用计算修正测试结果，因此不大方便。在实际热电偶测温中经常用的是自动
9、补偿冷端温度波动对温度指 示值影响的“冷端自动补偿法”方式。自动补偿方式是在热电偶与测量仪表间接入一个直流电桥补偿电桥，基本原理如图 3.2.1 所示。 AT UoB图 3.2.1 电桥补偿法原理图燕山大学课程设计说明书- 4 -补偿电桥的三个桥臂电阻 R1，R 2,，R3 用电阻温度系数极小的锰铜丝制成，可以认为其电压值是定植；而另一桥臂电阻 Rt 则用电阻温度系数较大的铜丝制成。使用时，用用延伸导线将热电偶冷端延伸至补偿电桥处，让补偿电桥与热电偶冷端感受同一温度 Tn。当冷端温度 Tn 变化时，补偿电桥中的 Rt 也随 Tn 变化，补偿电桥的电源 E 如图所示的方向时，补偿电桥便可输出一个
10、不起平衡电压 Uab。Uab 与热电偶输出的热电势 EAB (T, Tn )叠加成 Uo 输入到测量仪表。即 UoEAB (T, Tn )Uab (3-1-1)适当选择桥臂电阻和桥臂电流，使补偿电桥满足以下条件：当 TnT0 时，Uo0当 TnT0 时，UabEAB (Tn,T0) (3-1-2)由(1-2-2) 式可知，无论是 TnT 0 还是 TnT 0，都能使UoEAB (T, Tn )Uab= EAB (T, Tn ) + EAB (Tn,T0)= EAB(T,T0) (3-1-3)即 Uo 与 Tn 无关，也就是说，只要 T 不变，尽管 Tn 波动，测量仪表驱动电压 Uo都不会 改变
11、。又式(3-1-3)可知，这就要求，Tn 变化时，电桥补偿电压的变化正好抵消电势EAB (T, Tn )的变化，二者之和 Uo任不变。这种补偿电桥通常称为冷端温度补偿器 .3.2.2 补偿电路参数的确定电桥平衡时有 RtR1=R2R3,温度有变化时，参考端电势发生变化，通过调节温敏电阻 Rt来补偿变化了的电势。输出电压 Uo的表达式为 33 212 1tOtt tttRRUEER燕山大学课程设计说明书- 5 -由平衡条件 ,以及 ，上式可简化为213tR1t=33221tOUER为简便起见,取 ,温敏电阻 用一个 的滑动变阻器代替。当滑13kRt2k动变阻器接入电路的电阻为 时，电桥平衡。并且
12、用滑动变阻器滑动端位置的变化接入电路的电阻值不同来仿真温敏电阻随温度的变化电阻值不同的事实。第四章 热电偶传感器输出信号的调节电路4.1 带偏置电压的热电势放大电路的设计如图 4.1 为热电偶电势的放大电路。图中采用了三运算放大器的仪器仪表放大器，相对于单运放的放大器，它对抑制噪声有很好的功效。且要求 351627,RR4.2 放大电路的参数设计 燕山大学课程设计说明书- 6 -图 4.1 带偏置电压的三运算放大器的仪器仪表放大器热电偶测量端的最高温度 1200，对应于镍铬-镍硅热电偶的输出电压为 48.828mv,测量端的最低温度为 500，其对应输出的热电势为 20.640mv,而要求的最
13、大输出电压为 2.5v.最小电压 0v.因此需要给最低温度处设置一偏置电压，使测量端温度为 500时的输出电压为 0v。因所需的放大倍数 。因此所需的偏置32.548.20.6418.69A电压为 。而三运放仪器仪表放大器的输出电压：20.648913REFVv，放大倍数为： 31241OREFUUV 3241RA因此，取 ， ， ,5k61k278.56k8970,.83Rm那么图示电路的放大倍数为： 9.5128.6A基本满足所要求的增益 88.69. 第五章 Multisim 仿真5.1 基于热电偶的温度测量放大电路仿真燕山大学课程设计说明书- 7 -图 5.1.1 热电偶的温度测量电路
14、5.1.1 放大电路如图 5.1.1 为热电偶测温的放大电路基本原理图。仿真中用信号发生器产生变化的电压来模拟热电偶随所测温度变化输出热电势的不同值。用示波器来跟踪显示放大前和放大后的电压值。图 5.1.2 信号发生器的参数燕山大学课程设计说明书- 8 -图 5.1.3 放大前后的电压的显示5.1.2 放大电路仿真分析如图 5.1.2 为信号发生器的参数设计值，选择正弦波来代替热电偶随温度变化得不同而输出的电压值，并且设置信号发生器的输出电压为 ，即热48.20.6428.1mv电偶所测最高温度即最低温度的差值。如图 5.1.3 为经放大器放大前后的电压显示情况。示波器 B 通道为放大器的输入
15、电压为28.188mv，经放大器放大后的输出电压值为 2.579v。则其放大倍数为32.5798.109.5A可见基本满足所要求的放大倍数。5.2 热电偶冷端补偿电路的仿真5.2.1 冷端补偿电路C燕山大学课程设计说明书- 9 -BAD图 5.2.1 热电偶冷端补偿电路如图 5.2.1 为热电偶的冷端补偿电路，它属于慧斯登平衡电桥的一种。图中用信号发生器代替由于冷端温度波动而带来的输出的电压波动,且从 C、D 两点输入。A、B 点接示波器，对输出电压值进行考察。从而来仿真电桥的补偿作用。图 5.2.2 信号发生器的设定值5.2.2 补偿电路的仿真分析燕山大学课程设计说明书- 10 -图 5.2
16、.3 电桥平衡时的电压值CA BC燕山大学课程设计说明书- 11 -图 5.2.4 电桥失衡电路图 5.2.5 电桥失衡时的电压值如图 5.2.2 为信号发生器的参数设定值。如图 5.2.1 为电桥平衡时的电路，滑动变阻器接入电路的电阻值为 ，真好满足电桥的平衡条件。因此，此时 A、B 两点的电压值应1k该相等，如图 5.2.3 正好证实了这一点。有 。149.722abcdUmv如图 5.2.4 为电桥失衡时的电路，此时滑动变阻器接入电路的电压值为 。因此，05kA、B 两点的电压值不相等。如图 5.2.5，有 ，正好证37.06,.abvv实了这一点。燕山大学课程设计说明书- 12 -第六
17、章 心得体会通过这周的努力我完成了基于热电偶的测温电路仿真课程设计。刚开始的时候感觉一筹莫展，不知道如何入手，觉得很困难，要自己独立完成课程设计很是不容易的事情。不过，通过多方查阅资料，询问老师，与同学讨论，最后还是成功的完成了。这个课程设计经过多次的修改和整理，但由于自己的水平有限，还有很多不足之处，希望在以后的学习生活中能够进一步提高在没有做课程设计之前，觉得课程设计只是对知识的单纯总结，但是通过这次课程设计发现自己的看法有点太片面，课程设计不仅是对前面知识的一种检验，也是对自己的一种提高，通过这次课程设计使自己明白了原来的那点知识是非常欠缺的，要学习的东西还很多，通过这次课设明白学习是一
18、个长期积累的过程，在以后的工作和生活中都燕山大学课程设计说明书- 13 -应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。在这次课程设计的过程中，我得到了许多人的帮助。正是由于这些帮助，让我解决了不少不太明白的设计难题，让我把系统做得更加完善，使得我能顺利完成这次课程设计。参考文献1单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.国防工业出版社， 1999.2孙传友、孙晓斌.感测技术基础.电子工业出版社，2004.3赵负图 .传感器集成电路手册，化学工业出版社，2002.4美赛尔吉欧佛朗哥.西安交通大学出版社，2009.5何希才、薛永毅.传感器及其应用实例.机械工业出版社， 20046 彭军.运算放大器及其应用.科学出版社，2008.7常华、袁刚、常敏嘉.仿真软件教程Multisim 和 Matlab.清华大学出版社，2006.
