热电偶温度传感器测温系统设计王建福

热电偶温度传感器测温系统设计王建福

王建福

河北华气天然气有限公司河北霸州065700

1.热电偶温度传感器设计思路

通过理论分析与研究，对整体电路采用模块化设计，各模块电路设计如下：

（1）热电偶的放大电路：采用测量放大电路，因为这种电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗；

（2）线性化电路：利用高次多项式实现线性化，利用集成芯片AD538实现；

（3）接点补偿电路：使用冰点槽冷却，外围电路使用补偿导线；

（4）A/D转换电路：结合单片机，选用AD574芯片实现A/D转换；

（5）显示电路：结合单片机，使用LED数码管，实现数字显示；

（6）报警电路：利用单片机实现温度监测及报警。

2.热电偶测温系统的基本电路设计

2.1放大电路设计

本设计采用运算放大器ADOP07对热电偶的输出电压进行放大，热电偶的输出电压将通过一个低通滤波器送入运放A1中，通过A1输出放大后的信号，进行后期处理。设运放的增益为k，则

如图，R2=510Ω，R3=120kΩ，RP2为最大阻值3kΩ的可变电阻，由上式可得，放大增益k的取值范围是236.29~242.18。

K型热电偶在0℃时的热电动势为0mV，而在600℃时的热电动势为24.902mV。因此，我们通过调整电位器Rp2，将放大器的增益k设定为240.94倍。这样做的结果就是，放大器的输出电压在0℃时为0V，而在600℃时就为6.000V了。这样，本文设计的测温电路的所测温度T与放大电路输出电压Uout的关系为:T=100Uout

由于热电偶的温度-热电动势特性不是线性的，因此热电偶测温电路需要设计线性化电路。

2.2线性化电路设计

对于线性化电路有各种各样的处理方法，本文采用利用高次幂级数多项式实现线性化的方法。设热电偶对应温度的热电动势为VIN，线性化后热电偶对应温度的热电动势为VOUT，则两者的关系可用下式表示，即

VOUT=a0+a1VIN+a2VIN2+…+aNVINN（2.1）

如果通过电路获得高次幂级数的函数，就能构成线性化电路。电路运算的幂次越高，线性精度越高，但价格、响应时间、电路的复杂程度等也将随之提高。因此，综合考虑，本文取2次幂。虽然如此，线性化的精度已经相当高了，可以满足设计要求。

由切比雪夫多项式展开而求得K型热电偶的热电动势近似表达式(0~600℃)为

VOUT=-0.776+24.9952VIN-0.0347332VIN2（mV）（2.2）

当在600℃输入的K型热电偶热电动势为VIN=24.902mV时，电路将会有600.1mV的输出。如果嫌这个输出电压太小，可以将式（2.2）扩大10倍而变为

VOUT=-7.76+249.952VIN-0.347332VIN2（mV）（2.3）

K型热电偶在300℃时，热电动势为VIN=12.207mV，根据式（2.3），线性化电路可以有VOUT=2991.6mV的输出，相当于测试出的温度为299.2℃。而当热电偶在600℃时，热电动势VIN=24.902mV，根据式（2.3），线性化电路可以有VOUT=6001.2mV的输出，相当于测试出的温度为600.1℃。线性化后的最大非线性误差约为-0.15%

可见，经过线性校正后非线性误差大大降低了。有了函数表达式，下面需要做的就是用电路实现求平方的运算。

2.3平方律电路的设计

本设计的平方律电路是用集成电路AD538实现的。该集成电路有三个输入电压VX，VY，VZ，其输出电压可以按照下式

VOUT=VY（VZ/VX）m（2.4）

的函数关系输出。图2.3给出了线性化电路原理图。由运算放大器A2的R4~R7决定了一次项系数与二次项系数的增益。如图连接时，由AD538的第4脚输出10V基准电压，令式（2.4）中的m=1，VY=VZ=VK，VZ=10V。通过调整RP2使放大电路VK对VIN的增益为249.952，即VK=249.952VIN，则式（2.3）变形为

VOUT=-7.76+（249.952VIN）-5.56×10-6×（249.952VIN）2

=-7.76+VK-5.56×10-6VK2（mV）(2.5）

这样一次项的系数就变成1了，二次项的系数就变成5.56×10-6了。又

Vo=VY•VZ/VX=VK2/10V=VK2/10000mV

将其代入式（2.5）得

VOUT=-7.76+VK-0.0556Vo（mV）（2.6）

因为二次项的系数为R7/R6=0.0556，所以可以取R7=15kΩ，R6=270kΩ。又因为一次项的系数[(1+R7/R6)R5]/(R4+R5)=1，所以可以取R4=15kΩ，R5=270kΩ。常数项可由R9上的电压获得，取R8=130kΩ，R9=101kΩ，则

uR6=[R9/(R8+R9)]×10=7.76mV。

经过计算，在没有线性化电路时，热电偶的输出特性具有接近于-1%的非线性误差，而增加线性化电路后，非线性误差变为大约0.1%~0.2%。显然，线性化程度满足设计要求。

2.4A/D转换电路的设计

对于A/D转换电路的设计，本文使用A/D芯片AD574实现，并由单片机实现对数据的接收和处理。

AD转换过程中需要采样保持电路，本设计采用集成芯片LF398实现采样保持功能。单片机8031选通模拟开关时，给采样保持器LF398的控制端8脚发出高电平，使之进入采样状态。待采样保持器捕获到输入信号后，单片机发出保持命令，给LF398的控制端8脚发出低电平，使之进入保持状态。

2.5数字显示电路的设计

显示电路采用3位LED数码管显示器，数码管的段控用P1口输出，位控由P2.0、P2.1、P2.2控制。

数码管选共阳极接法，当位控为“1”时，该数码管选通，动态显示用软件完成，节省硬件开销。

2.6报警电路的设计

报警电路使用单片机实现。在单片机外接两个发音不同的蜂鸣器，通过软件控制可实现测温系统的报警功能。本测温系统的测温范围为0~600℃，当温度低于0℃时，由单片机检测到信号，使蜂鸣器1发音，发出短号音，提醒监控人员调整电路和设备；当温度高于600℃时，由单片机检测到信号，使蜂鸣器2发音，发出长号音，提醒监控人员调整电路和设备。

3.总结与讨论

总结：热电偶本身会产生电压，因此热电偶传感器测温不需要驱动电源。这是使用热电偶的一大优点。但是热电偶产生的热电动势较小，并且与温度呈非线形关系，其非线性误差多在1%以上。本文针对热电偶温度传感器的工作原理和工作特点，设计了简单的信号调理电路，使输出热电动势与温度成线性关系，测量误差满足工作要求。结合数字电路实现了数字化动态显示及越限报警电路。