基于熱電偶的溫度測量信號調(diào)理電路

　　溫度測量在工業(yè)控制領(lǐng)域中占有重要地位。根據(jù)溫度測量方式不同,溫度傳感器可分成非接觸式與接觸式兩大類,測量方法主要有熱電阻測量、熱電偶測量等。采用熱電偶作為敏感元進(jìn)行接觸式測量尤為廣泛,本系統(tǒng)采用K型熱電偶。
　　由于熱電偶輸出電壓相當(dāng)小(幾十毫伏),若直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號則信號有可能被系統(tǒng)本身的紋波所淹沒,因此必須進(jìn)行調(diào)理即將待測信號通過放大、濾波等操作。溫度調(diào)理電路采用單電源、電源限儀表放大器AD623并配以二階壓控電壓源低通濾波電路，經(jīng)過一級放大、二階低通濾波兼二級放大后輸出的電壓值滿足AD轉(zhuǎn)換器的輸人范圍,符合溫度測量精度佳、穩(wěn)定性好的要求。
1熱電偶測量原理
　　熱電偶測溫是根據(jù)熱電偶輸出電勢與溫度成一定關(guān)系的原理,通過測量熱電偶的輸出電勢實現(xiàn)對溫度的測量(見圖1),輸出熱電勢與溫度的對應(yīng)關(guān)系以熱電偶的分度表形式給出。
 
　　其中,k---波爾茲曼常數(shù),1.38x10^-6;NA、NB---金屬A、B的自由電子密度;e---電子電荷數(shù)。
　　用熱電偶1]作為敏感元進(jìn)行電路設(shè)計時需用到以下基本法則:
(1)熱電動勢反映的是熱電偶冷、熱端的溫度差,而不是被測端的絕對溫度,故測量端的實際溫度應(yīng)該是被測值與參考端溫度值相加，在測量時應(yīng)預(yù)先獲知參考端的實際溫度。
(2)若有第三種金屬接人到該回路中時，保證第三種金屬的兩接觸端溫度相同,則回路中總的熱電勢保持不變。利用這個法則,可方便地在回路中直接接人測量導(dǎo)線而不會影響測量精度。
(3)熱電偶冷端溫度保持不變時,熱電偶的熱電動勢是熱端溫度的單值函數(shù)。熱電偶的電信號傳輸時需要導(dǎo)線(補(bǔ)償導(dǎo)線),不同材料型號的熱電偶所需的補(bǔ)償導(dǎo)線不同。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是與熱電偶連接時可使冷端遠(yuǎn)離熱源,保證冷端溫度穩(wěn)定。
2調(diào)理電路的設(shè)計
2.1電壓信號一級放大電路設(shè)計
　　該電壓放大電路采用儀表放大器AD623l21,其既可單電源供電，也可雙電源供電,該設(shè)計中采用單電源供電。AD623可以通過改變增益可調(diào)電阻(管腳1與8之間所接電阻)實現(xiàn)增益編程,以滿足不同用戶的使用要求。增益電阻懸空條件下,AD623被強(qiáng)制配置為單位增益;連接增益電阻后,AD623內(nèi)部編程設(shè)置增益,其增益值最高為1000。AD623增益編程電阻計算公式為:
RG=100kΩ/(G-1)(2)
　　圖2為溫度信號調(diào)理原理圖。導(dǎo)彈發(fā)射試驗中所測溫度為0~1300℃,查詢K型分度表其在這個溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生的熱電勢約為0~52.41mV,增益電阻選擇4.7kΩ,增益為22.3倍。
 
2.2二階壓控電壓源低通濾波電路設(shè)計
　　該設(shè)計要求截止頻率為0.625kHz,等效品質(zhì)因數(shù)Q=0.707。
　　由圖2知:該濾波電路的傳遞函數(shù)為:
 
　　該濾波電路Aup應(yīng)小于1+(R1C2+R2C2)/R1C1,否則傳遞函數(shù)分母中s的一次項系數(shù)將為負(fù),濾波電路不能正常工作,取C1=C2,R2=R3,則Aup<3即R4<2R5。取Q=0.707,ƒ0=0.625kHz,則C1=C2==0.1μF,R2=R3=2.49kΩ,R5=30kN,R4=51kΩ。取.上述參數(shù)情況下該濾波電路能起到很好的濾波效果,同時對溫度信號進(jìn)行二次放大Aup=1.588倍,輸出電壓為0~2.382V,滿足AD轉(zhuǎn)換器的電壓輸人范圍。該電路設(shè)計中,應(yīng)該注意以下問題:
(1)5管腳Vrer提供0.33V電壓用來應(yīng)對導(dǎo)彈發(fā)射惡劣環(huán)境中負(fù)溫度的情況。
(2)二階壓控電壓源低通濾波電路(4]中，電阻電容的選擇原則如下:電容容值不宜過大(C<1μF);所有電阻都需采用精密電阻。
2.3電壓跟隨電路設(shè)計
　　因前級電路輸出阻抗較高,若后級電路的輸人阻抗小，信號就有相當(dāng)一部分損耗在前級的輸出電路中,這就需采用電壓跟隨電路進(jìn)行緩沖、達(dá)到阻抗匹配。
3試驗結(jié)果分析
　　測試二階低通濾波電路時,不改變輸人信號峰峰值而改變其頻率,表1為試驗中測量的不同頻率下的輸出值。
 
　　由表1可知:當(dāng)ƒ=0.67kHz時,輸出信號幅值為滿量程的0.707倍,濾波后的波形比.較平滑且截止頻率與實際接近。圖3為導(dǎo)彈發(fā)射過程中尾罩底部燃?xì)鉁囟茸兓厔?導(dǎo)彈出筒后至尾罩分離前溫度最高為686℃,出現(xiàn)時刻為56.738s。
 
4結(jié)束語
　　由于熱電偶輸出電壓極小，需將其通過放大、濾波等調(diào)理,設(shè)計的溫度調(diào)理電路經(jīng)過AD623將溫度信號放大、二階低通濾波電路濾波后可以應(yīng)用到精度高的溫度測量系統(tǒng)中。