【文章內(nèi)容簡介】 電路的處理后，通過無線通信的方式發(fā)送到 PC 機上進行顯示 ，很顯然，這是典型的一路無線溫度采集系統(tǒng) ；方案二是在溫 度數(shù)據(jù)采集的同時對使用的熱電偶進行自動的現(xiàn)場檢定，兩部分的數(shù)據(jù) 通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到 PC 機上進行顯示和對比，從而確定被 測 熱電偶的 性能情況 ，這是帶 自動 檢 定的無線溫度采集系統(tǒng)。 熱電偶使用一段時間后，為保證其準確度和正常使用，要進行周期檢定。工業(yè)上通常采用直接比較法檢定，比較法檢定是被 測 熱電偶和標準熱電偶直接比較的一種檢定方法。檢定時，把被 測 熱電偶與標準熱電偶捆扎在一起送入檢定爐，測量 端應位于檢定爐均勻的高溫區(qū)中，檢定爐內(nèi)的溫度應恒定在被 測 溫度點 [3]。 熱 電 偶溫 度 采集 電 流信 號 輸出 信號放大器 模數(shù)轉換器 無線發(fā)射芯片 信號調(diào)理電路 單片機 無線接收芯片 單片機 接口芯片 PC機 信號放大器 模數(shù)轉換器 標準 熱電偶 第二章 總體方案設計 11 在工業(yè)上，傳統(tǒng)的檢定裝置由程序給定器、 PID 調(diào)節(jié)器、溫度顯示記錄儀、可控硅等組成控制系統(tǒng)來控制溫度，等待爐溫穩(wěn)定后，用手動電位差計測量毫伏電動勢，或用惠斯登電橋手動測量熱電偶，然后手動查表 、數(shù)據(jù)處理。這種方 法操作繁瑣、耗時長、浪費能源，也易帶來一些人為誤差。方案二設計的就是一種簡易的帶有自動檢定裝置的無線溫度采集系統(tǒng)，可以 自動給定檢定溫度[4]。 從根本上說，方案一與方案二 的工作原理十分相似，但是它們有著最大的區(qū)別就 是方案二有熱電偶自動檢定系統(tǒng)，可以對使用中的熱電偶進行現(xiàn)場檢定，這對 提高溫度測量精度和提高工作效率有著至關重要的意義。 最后， 通過比較，我們可以看出方案二相對于方案一來說有著不可替代的優(yōu)勢，因此我們 確定方案二為本次設計的最終方案。 第三章 單元電路的設計 12 第三章 單元電路的設計 基于第二章總體方案的設計，在這一 章中，將總體電路劃分為 溫度傳感器信號調(diào)理電路、 無線收發(fā)模塊、 電平轉換器、單片機 電路 以及直流電源穩(wěn)壓電路 。下面分別介紹它們的工作原理及電路結構。 溫度傳感器信號調(diào)理電路 圖 31 數(shù)據(jù)采集部分的信號調(diào)理電路 圖 32 熱電偶自動檢定部分的信號調(diào)理電路 上位機中數(shù)據(jù)采集部分的信號調(diào)理電路框圖如圖 31 所示，熱電偶自動檢定部分的信號調(diào)理電路 框圖如圖 32 所示。 數(shù)據(jù)采集部分的信號調(diào)理電路由熱電偶溫度采集電流輸出電路 和 信號放大電路組成； 熱電偶自動檢定部分的信號調(diào)理電路由標準 熱電偶和 信號放大器組成。這一模塊的功能就是將采集到的溫度數(shù)據(jù)轉換成電信號并放大，為進行后面的無線數(shù)據(jù)發(fā)送做好準備。 熱電偶 的功能 熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉換為電勢變化的傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶是應用最廣泛的測溫元件之一。在數(shù)據(jù)采集與控制 系統(tǒng)中 ， 熱電偶 處于 標準 熱電偶 信號放大器 信號放大電路 熱電偶溫度采集電流輸出 第三章 單元電路的設計 13 研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測信息的窗口 ， 對系統(tǒng)的功能起了決定性的作用。因此，只有根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的 熱電偶 ，才能得到精確可靠的 溫度數(shù)據(jù) 。 的工作原理 目 前對熱電偶的工作原理有兩種解說，都應該是正確的，下面我們將分別介紹這兩種說法。 （ 1）熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在 Seebeck電動勢 —— 熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在 0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接 入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度 。 （ 2）兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，而這種 電 動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的 ， 其中 ，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接， 顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。 熱電偶實際上是一種能量轉換器，它將熱能轉換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應注意如下幾個問題： 1) 熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù)； 第三章 單元電路的設計 14 2) 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關； 3) 當熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關；若熱電偶冷端的溫度保持一定， 則 熱電偶的熱電勢僅是工作端 溫度的單值函數(shù)。 由熱電偶測溫公式得知，熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度有關，而且也與冷端溫度有關，只有當冷端溫度恒定時，才能通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必需首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，在考慮將冷端處理為 0℃，這稱為熱電偶的冷端處理和補償。 下面介紹幾種冷端處理的方法： 1) 補償導線法 補償導線在 100℃（或 200℃）以下的溫度范圍內(nèi)，具有與熱電偶相同的熱電特性，用它連接熱電偶可起到延長熱電偶冷端的作用。熱電偶補償導線通常有補 償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層組成。熱電偶補償導線有兩方面的功能：其一實現(xiàn)冷端遷移；其二是降低電路成本。當熱電偶與測量儀表距離較遠時，使用補償導線，可節(jié)約熱電偶材料，尤其對貴金屬熱電偶來說，經(jīng)濟效益更是明顯。 2) 熱電偶冷端溫度恒溫法 在一個保溫瓶里放冰水混合物， 1個標準大氣壓下（ ）冰和純水的平衡溫度為 0℃，在密封的蓋子上插入若干支試管，試管的直徑盡量小，并有足夠的插入深度。試管底部有少量高度相同的水銀或變壓器油，若放水銀則可把補償導線與銅導線 直接插入試管中的水銀里，形成導電通路，不過 在 水銀上面應加少量蒸餾水并用石蠟封結，以防止水銀蒸發(fā)和溢出。若改 用變壓器油代替水銀，則必須使補償導線與銅導線接觸良好。自由端恒溫法適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。 3) 冷端補償電橋法 第三章 單元電路的設計 15 補償電橋法 是 利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值，補償電橋的 4個橋臂中有一個臂 是銅電阻作為感溫元件，其余 3個臂由阻值恒定的錳銅電阻制成。 橋臂銅電阻必須和熱電偶的冷端處于同一溫度下。電橋在 0℃設計的 銅電阻的阻值與其余 3個橋臂電阻相等，這 時 電橋處于平衡狀態(tài)。 當冷端溫度變化（比如升高）， 熱電偶產(chǎn)生的熱電勢也將變化（減小），而此時串聯(lián)電橋中的熱電阻阻值也將變化并使電橋兩端的電壓也發(fā)生變化（升高）。如果參數(shù)選擇得好且接線正確，電橋產(chǎn)生的電壓正好與熱電勢隨溫度變化而變化的量相等，整個熱電偶測量回路的總輸出電壓（電勢）正好真實反映了所測量的溫度值。 本次設計的無線溫度采集系統(tǒng)主要用于工業(yè) 高溫 測控方面，因此對熱電偶的準確度 要求較高，在這里我們并不采用以上幾種熱電偶冷端補償?shù)姆椒?，而是?用一種芯片，關于該芯片的介紹將在后面的內(nèi)容中提到。 由熱電偶測溫原理可知，由兩種不同金屬 A和 B構成 一個閉合回路就可以組成熱電偶，但為了保證測溫精度和工程上的各項技術指標，按照工業(yè)標準化的要求，可分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶兩種。所謂標準化熱電偶，是指工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證 。國際電工委員會（ IEC）共推薦了 8種標準化熱電偶，標準化熱電偶分度表及熱電極材料如表 31所示。 表 31 標準化熱電偶分度表及熱電極材料 熱電偶分度號 熱電極材料 正極 負極 S 鉑銠 10 純鉑 R 鉑 銠 13 純鉑 B 鉑銠 30 鉑銠 6 第三章 單元電路的設計 16 K 鎳鉻 鎳硅 T 純銅 銅鎳 J 鐵 銅鎳 N 鎳鉻硅 鎳硅 E 鎳鉻 銅鎳 下面主要介紹四種標準熱電偶： 1) 鉑銠 10鉑熱電偶 （ S型） 鉑銠 10鉑熱電偶為貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為 ，其正極（ SP）的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為 10％，含鉑為 90％。負極（ SN）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為 1300℃，短期最高使用溫度為 1600℃。 S型熱電偶具有準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。其物理化學性能良好 ，在高溫下抗氧化性能好，使用于氧化和惰性氣氛中，使用廣泛。 S型熱電偶缺點是熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資大。 2) 鉑銠 30鉑銠 6（ B型） 鉑銠 30鉑銠 6熱電偶為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規(guī)定為 ，其正極（ BP）和負極（ BN）的名義化學成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為 1600℃，短期最高使用溫度為 1800℃。B型熱電偶具有準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短 期用于真空中，但不是用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中。它還有一個明顯的優(yōu)點是參比端 不需進行冷端補償，因為在 0℃～ 50℃范圍內(nèi)，熱電勢小于 3μ V。 B型熱電偶缺點是熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。 3) 鎳鉻 鎳硅熱電偶 （ K型） 鎳鉻 鎳硅熱電偶是目前使用量最大的廉價金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和，正極（ KP）的名義化學成分為： Ni:Cr=90:10,負極（ KN）的名義化第三章 單元電路的設計 17 學成分為： Ni:Si=97:3。其使用溫度為 200℃～ 1300℃。 K型熱電偶具有線性度好，熱電 勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復現(xiàn)性較好，抗氧化性強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性和惰性氣氛中。 K型熱電偶不能在高溫下 直接用于還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。 4) 鎳鉻 銅鎳熱電偶 （ E型） 鎳鉻 銅鎳熱電偶又稱鎳鉻 康銅熱電偶，也是一種廉價金屬熱電偶。其正極（ EP）為鎳鉻 10合金，化學成分與 KP相同，負極（ EN）為銅鎳合金，名義化學成分為 55％的銅、 45％的鎳及少量的鈷、錳、鐵等元素。該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標準熱電偶之最，易制成熱電偶堆來測量微小溫度變化 。E型熱電偶可用于濕度較大的 環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能高，價格便宜等優(yōu)點。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。 標準化熱電偶的熱電勢與溫度之間的關系如圖 31所示。 圖 31 標準熱電偶的熱電勢與溫度之間的關系 由于本次設計主要是針對工業(yè)上的溫度采集，熱電偶不可避免的要用在高溫環(huán)境中，而且工業(yè)測溫根據(jù)性質的不同可能會對熱電偶的精度、靈敏度等技術指標有著不同的要求，因此通過以上對各種標準化熱電偶的比較，我們 決定選用 K型熱電偶來完成本次設計。 第三章 單元電路的設計 18 溫度數(shù)據(jù)采集部分的 放大 電路 電路的功能 放大電路是把輸入信號進行放大以供后續(xù)電路使用的電路，在設計中一般都會使用集成運放來完成 此功能。由于使用熱電偶進行溫度數(shù)據(jù)采集得到的電信號很微弱，只有經(jīng)過放大電路放大后才能滿足后續(xù)電路對信號的處理范圍。因此可看出，放大電路在整個系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。 集成運放是以雙端為輸入，單端對地為輸出的直接耦合型高增益放大器，是一種模擬集成電子器件。集成運放內(nèi)部電路包括四個基本組成環(huán)節(jié)，分別是：輸入級、中間級、 輸出級和各級的偏置電路。對于高性能、高精度 等特殊集成運放，還要增加有關部分的單元電路。例如：溫度控制電路、溫度補償電路、內(nèi)部補償電路、過流或過流保護電路、限流電路、穩(wěn)壓電路等。圖 32所示為集成運放內(nèi)部電路方框圖 [5]。 輸入 輸出 圖 32 集成運放內(nèi)部電路方框圖 目前廣泛應用的電壓型集成運算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與 輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡，可實現(xiàn)不同用途的電路，例如利用集成運算放大器可非常方便的完成信號放大、信號運