1、第一章 熱電偶測溫的基本工作原理1.1基本理論 熱電效應如圖1所示兩種導體A和B的兩端分別焊接在一起，形成一個閉合回路。若兩個接點處于不同的溫度，回路中就會產生電動勢（或稱熱電勢）。這種現象稱為熱電效應。 A T(1) T0(2) B圖1-1-1熱電效應示意圖 熱電偶回路的總熱電勢圖中A和B稱為熱電極，它們組成熱電偶AB。測溫時接點（1）置于被測溫場中，稱為測量端，接點（2）一般處于某一恒定溫度，稱為參考端。熱電偶兩個電極材料確定以后，熱電偶的熱電勢就只與熱電偶兩端溫度有關。EAB=EAB(T)EAB(T0) （1-1-2）1.2熱電偶測溫的原理和方法由1-1式可知，如果使參考端溫度T0保持不

2、變，則對給定材料的熱電偶，其熱電勢就只與工作端溫度T成單值函數關系，即 EAB(T,T0) = f (T) (1-2-1)這個函數關系就是利用熱電偶測溫的原理。對給定的熱電偶通過實驗測得T0 = 0，T取不同溫度時的熱電勢數據，制成該熱電勢的分度表。有了這個分度表，今后再用該熱電偶測量溫度時，只要測得該熱電偶的熱電勢EAB(T,0)，就可查分度表，確定出對應的被測溫度的數值T，這種方法稱為查表法。一般來說，熱電偶的分度表和相配的測溫儀表都是規定的參考溫度T0為0的情況下使用的。在參考溫度T0為已知值，但不是0的情況下，應采取如下計算修正的辦法。若用查表法測溫，則應在測出EAB(T,T0)和已知

3、T0后，先從分度表上查出與T0對應的EAB(T,0)值，再按中間溫度定律，即EAB(T,T0)= EAB (T, Tn ) + EAB (Tn,T0) (1-2-2)計算出EAB (T,0) 值,即 EAB(T,0) = EAB (T,T0) + EAB (T0,0) (1-2-3) 最后從分度表查出與EAB(T,0)對應的溫度T值。第二章 熱電偶的設計2.1熱電偶結構的選擇 圖2.1熱電偶的結構 表2.2 鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）分度表鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）分度表 （參考端溫度為0）溫度0102030405060708090熱電動勢mV00.0000.3970.7981.2031.6112

4、.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.772

5、23.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.21432.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.91538.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542

6、.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.8072.2熱電偶材料的選擇 根據熱電偶的中間導體定律，即EABC(T,T0)= EAB(T,T0)，選擇如圖2.1的熱電偶結構根據所測的溫度范圍 5001200以及

7、常用熱電偶材料的測溫范圍，選擇K型鎳鉻-鎳硅熱電偶，其分度表如表2.2。鎳鉻-鎳硅的測溫范圍是01300滿足所測范圍。 第三章 熱電偶的冷端處理 冷端溫度補償電路的設計3.1 冷端的恒溫方式使冷端保持恒溫的方法有，將冷端置于冰水混合物中或者置于恒溫槽中，也可以將冷端置于溫度緩慢變化的容器或者深埋于地下的鐵盒或者充滿絕緣熱體的鐵管中等等。其中“冰浴法”最適用于實驗室，且若使用“冰浴法”，因其保證了冷端溫度為0，所以不須用計算修正測量結果，所讀得的電壓值在分度表中對應的溫度即為所測溫度。3.2冷端溫度的波動自動補償 補償原理使冷端溫度保持恒定需要冰浴法或者恒溫槽, 而且當T00時，還須用計算修正測

8、試結果，因此不大方便。在實際熱電偶測溫中經常用的是自動補償冷端溫度波動對溫度指 示值影響的“冷端自動補償法”方式。自動補償方式是在熱電偶與測量儀表間接入一個直流電橋補償電橋，基本原理如圖所示。 A T Uo B圖電橋補償法原理圖補償電橋的三個橋臂電阻R1，R2,，R3用電阻溫度系數極小的錳銅絲制成，可以認為其電壓值是定植；而另一橋臂電阻Rt則用電阻溫度系數較大的銅絲制成。使用時，用用延伸導線將熱電偶冷端延伸至補償電橋處，讓補償電橋與熱電偶冷端感受同一溫度Tn。當冷端溫度Tn變化時，補償電橋中的Rt也隨Tn變化，補償電橋的電源E如圖所示的方向時，補償電橋便可輸出一個不起平衡電壓Uab。Uab與熱

9、電偶輸出的熱電勢 EAB (T, Tn )疊加成Uo輸入到測量儀表。即 UoEAB (T, Tn )Uab (3-1-1)適當選擇橋臂電阻和橋臂電流，使補償電橋滿足以下條件：當TnT0時，Uo0當TnT0時，UabEAB (Tn,T0) (3-1-2)由(1-2-2) 式可知，無論是TnT0 還是TnT0，都能使UoEAB (T, Tn )Uab= EAB (T, Tn ) + EAB (Tn,T0)= EAB(T,T0) (3-1-3)即Uo 與Tn無關，也就是說，只要T不變，盡管Tn波動，測量儀表驅動電壓Uo都不會 改變。又式(3-1-3)可知，這就要求，Tn變化時，電橋補償電壓的變化正好

10、抵消電勢EAB (T, Tn )的變化，二者之和Uo任不變。這種補償電橋通常稱為冷端溫度補償器.3.2.2補償電路參數的確定電橋平衡時有RtR1=R2R3,溫度有變化時，參考端電勢發生變化，通過調節溫敏電阻Rt來補償變化了的電勢。輸出電壓Uo的表達式為由平衡條件,以及，上式可簡化為為簡便起見,取,溫敏電阻用一個的滑動變阻器代替。當滑動變阻器接入電路的電阻為時，電橋平衡。并且用滑動變阻器滑動端位置的變化接入電路的電阻值不同來仿真溫敏電阻隨溫度的變化電阻值不同的事實。第四章 熱電偶傳感器輸出信號的調節電路4.1帶偏置電壓的熱電勢放大電路的設計如圖4.1為熱電偶電勢的放大電路。圖中采用了三運算放大器

11、的儀器儀表放大器，相對于單運放的放大器，它對抑制噪聲有很好的功效。且要求 4.2放大電路的參數設計 圖4.1帶偏置電壓的三運算放大器的儀器儀表放大器熱電偶測量端的最高溫度1200，對應于鎳鉻-鎳硅熱電偶的輸出電壓為48.828mv,測量端的最低溫度為500，其對應輸出的熱電勢為20.640mv,而要求的最大輸出電壓為2.5v.最小電壓0v.因此需要給最低溫度處設置一偏置電壓，使測量端溫度為500時的輸出電壓為0v。因所需的放大倍數。因此所需的偏置電壓為。而三運放儀器儀表放大器的輸出電壓：，放大倍數為： 因此，取，,那么圖示電路的放大倍數為： 基本滿足所要求的增益88.69. 第五章 Multi

12、sim仿真5.1基于熱電偶的溫度測量放大電路仿真圖5.1.1熱電偶的溫度測量電路放大電路如圖5.1.1為熱電偶測溫的放大電路基本原理圖。仿真中用信號發生器產生變化的電壓來模擬熱電偶隨所測溫度變化輸出熱電勢的不同值。用示波器來跟蹤顯示放大前和放大后的電壓值。圖5.1.2信號發生器的參數圖 放大前后的電壓的顯示5.1.2放大電路仿真分析如圖為信號發生器的參數設計值，選擇正弦波來代替熱電偶隨溫度變化得不同而輸出的電壓值，并且設置信號發生器的輸出電壓為，即熱電偶所測最高溫度即最低溫度的差值。如圖為經放大器放大前后的電壓顯示情況。示波器B通道為放大器的輸入電壓為28.188mv，經放大器放大后的輸出電壓

13、值為2.579v。則其放大倍數為可見基本滿足所要求的放大倍數。5.2熱電偶冷端補償電路的仿真冷端補償電路 C B A D 圖熱電偶冷端補償電路如圖為熱電偶的冷端補償電路，它屬于慧斯登平衡電橋的一種。圖中用信號發生器代替由于冷端溫度波動而帶來的輸出的電壓波動,且從C、D兩點輸入。A、B點接示波器，對輸出電壓值進行考察。從而來仿真電橋的補償作用。圖信號發生器的設定值補償電路的仿真分析圖5.2.3電橋平衡時的電壓值 C A B C圖電橋失衡電路圖電橋失衡時的電壓值如圖為信號發生器的參數設定值。如圖為電橋平衡時的電路，滑動變阻器接入電路的電阻值為，真好滿足電橋的平衡條件。因此，此時A、B兩點的電壓值應

14、該相等，如圖正好證實了這一點。有。如圖為電橋失衡時的電路，此時滑動變阻器接入電路的電壓值為。因此，A、B兩點的電壓值不相等。如圖，有，正好證實了這一點。第六章 心得體會通過這周的努力我完成了基于熱電偶的測溫電路仿真課程設計。剛開始的時候感覺一籌莫展，不知道如何入手，覺得很困難，要自己獨立完成課程設計很是不容易的事情。不過，通過多方查閱資料，詢問老師，與同學討論，最后還是成功的完成了。這個課程設計經過多次的修改和整理，但由于自己的水平有限，還有很多不足之處，希望在以后的學習生活中能夠進一步提高在沒有做課程設計之前，覺得課程設計只是對知識的單純總結，但是通過這次課程設計發現自己的看法有點太片面，課程設計不僅是對前面知識的一種檢驗，也是對自己的一種提高，通過這次課程設計使自己明白了原來的那點知識是非常欠缺的，要學習的東西還很多，通過這次課設明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作和生活中都應該不斷的學習，努力提高自己的知識和綜合素質。在這次課程設計的過程中，我得到了許多人的幫助。正是由于這些幫助，讓我解決了不少不太明白的設計難題，讓我把系統做得更加完善，使得我能順利完成這次課程設計