【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(yīng)位于檢定爐均勻的高溫區(qū)中，檢定爐內(nèi)的溫度應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器 標準 熱電偶 第二章 總體方案設(shè)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(shè)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(guān)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(shè)計的最終方案。 第三章 單元電路的設(shè)計 12 第三章 單元電路的設(shè)計 基于第二章總體方案的設(shè)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。 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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電勢變化的傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶是應(yīng)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(shè)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(yīng)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(zhì)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(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)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(guān)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(zhì)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(yīng)，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(zhì)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(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)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(yīng)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(shè)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(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)； 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(guān)；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(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，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(yīng)加少量蒸餾水并用石蠟封結(jié)，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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(gòu)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(shù)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(yīng)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(shè)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(shè)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(fù)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(guān)系如圖 31所示。 圖 31 標準熱電偶的熱電勢與溫度之間的關(guān)系 由于本次設(shè)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(zhì)的不同可能會對熱電偶的精度、靈敏度等技術(shù)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(shè)計。 第三章 單元電路的設(shè)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(shè)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(guān)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(yīng)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(luò)，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