测控电路设计课程设计说明

1、燕山大学课程设计说明书第一章热电偶测温的基本工作原理1.1基本理论1.1.1热电效应如图1所示两种导体 A和B的两端分别焊接在一起，形成一个闭合回路。若两个接点处 于不同的温度，回路中就会产生电动势(或称热电势)。这种现象称为热电效应。-3 -图1-1-1热电效应示意图1.1.2热电偶回路的总热电势图中A和B称为热电极，它们组成热电偶 测量端，接点(2)一般处于某一恒定温度, 热电偶的热电势就只与热电偶两端温度有关。1.2热电偶测温的原理和方法AB。测温时接点(1 )置于被测温场中，称为称为参考端。热电偶两个电极材料确定以后，EAB=EAB(T) -EAB (T 0)( 1-1-2)由1-1式

2、可知，如果使参考端温度T0保持不变，则对给定材料的热电偶，其热电势就只与工作端温度 T成单值函数关系，即E ab(T,T 0) = f (T)(1-2-1)这个函数关系就是利用热电偶测温的原理。对给定的热电偶通过实验测得T0 = 0C , T取不同温度时的热电势数据，制成该热电势的分度表。有了这个分度表，今后再用该热电偶测量温度时，只要测得该热电偶的热电势Eab(T,0),就可查分度表，确定出对应的被测温度的数值T,这种方法称为查表法。一般来说，热电偶的分度表和相配的测温仪表都是规定的参考温度T0为0C的情况下使用的。在参考温度 To为已知值，但不是 0C的情况下，应采取如下计算修正的办法。若

3、用查表法测温，则应在测出Eab(T,T0)和已知To后，先从分度表上查出与To对应的EAB(T,0)值，再按中间温度定律，即EAB(T,T0)= EAB (T, Tn ) + EAB (Tn,T o)(1-2-2)计算出Eab (T,0)值,(1-2-3)即 Eab(T,O) = Eab (T,To) + Eab (To,O)最后从分度表查出与Eab(T,O)对应的温度T值。第二章 热电偶的设计2.1热电偶结构的选择图2.1热电偶的结构表2.2镍铬-镍硅热电偶(K型)分度表温度C0 J102030405060r708090热电动势mV00.0000.3970.7981.2031.6112.02

4、22.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.151 10.56010.96911.38111.79330012.20712.623 13.039 13.456 13.8174 14.292 14.71215.13215.55215.97440016.39516.818 17.241 17.664 18.088 18.513 18.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.493 21.919 2

5、2.3J46 22.772 23.19823.62424.05024.47660024.90225.327 25.751 26.176 26.599 27.021 12 27.44527.86728.288 28.70970029.12829.547 29965 30.383 30.7799 31.214 31.21432.04232.45532.86680033.27733.686 34095 34.502 34.9)09 35.314 35.71836.12136.52436.92590037.32537.724 38122 38.915 38.915 39.310 39.70340.09

6、640.488 /40.879100041.26941.65742.045 42.432 42.8117 43.2C2 43.58543.96844.349 /44.729110045.10845.486 45.863 46.238 46.6)12 46.98)5 47.35647.72648.095 /48.462120048.82849.192 49.555 49.916 50.2>76 50.6353 50.99051.34451.69752.049130052.39852.747 53.093 53.439 53.782 54.12I!5 54.466r54.807一一镍铬-镍硅

7、热电偶(K型)分度表(参考端温度为0 C)燕山大学课程设计说明书2.2热电偶材料的选择根据热电偶的中间导体定律，即Eabc(T,To)= Eab(T,To),选择如图2.1的热电偶结构根据所测的温度范围500C 1200C以及常用热电偶材料的测温范围，选择K型镍铬-镍硅热电偶，其分度表如表2.2。镍铬-镍硅的测温范围是 0C 1300 C满足所测范围。第三章热电偶的冷端处理冷端温度补偿电路的设计3.1冷端的恒温方式使冷端保持恒温的方法有，将冷端置于冰水混合物中或者置于恒温槽中，也可以将冷端置于温度缓慢变化的容器或者深埋于地下的铁盒或者充满绝缘热体的铁管中等等。其中“冰浴法”最适用于实验室，且若

8、使用“冰浴法”，因其保证了冷端温度为0 C,所以不须用计算修正测量结果，所读得的电压值在分度表中对应的温度即为所测温度。3.2冷端温度的波动自动补偿3.2.1补偿原理使冷端温度保持恒定需要冰浴法或者恒温槽，而且当T0工0C时，还须用计算修正测试结果，因此不大方便。在实际热电偶测温中经常用的是自动补偿冷端温度波动对温度指 示值影响的“冷端自动补偿法”方式。自动补偿方式是在热电偶与测量仪表间接入一个直流电桥补偿电桥，基本原理如图3.2.1所示。图3.2.1电桥补偿法原理图补偿电桥的三个桥臂电阻 R1, R2, R3用电阻温度系数极小的锰铜丝制成，可以认为其电-3 -燕山大学课程设计说明书压值是定植

9、；而另一桥臂电阻Rt则用电阻温度系数较大的铜丝制成。使用时，用用延伸导线将热电偶冷端延伸至补偿电桥处，让补偿电桥与热电偶冷端感受同一温度Tn。当冷端温度Tn变化时，补偿电桥中的Rt也随Tn变化，补偿电桥的电源 E如图所示的方向时， 补偿电桥便可输出一个不起平衡电压Uab。Uab与热电偶输出的热电势EAB (T, Tn )叠加成U。输入到测量仪表。即U o = EAB (T, Tn ) + Uab(3-1-1)适当选择桥臂电阻和桥臂电流，使补偿电桥满足以下条件：当 Tn= T 0 时，U0= 0当 Tn= T0时，Uab= EAB (Tn,T 0)(3-1-2)由(1-2-2)式可知，无论是 T

10、n= T 0还是Tn = T0,都能使U0 = EAB (T, Tn ) + Uab= Eab (T, Tn ) + E ab (Tn,T 0)= EAB(T,T0)(3-1-3)即U0与Tn无关，也就是说，只要 T不变，尽管Tn波动，测量仪表驱动电压U0都不会改变。又式(3-1-3)可知，这就要求，Tn变化时，电桥补偿电压的变化正好抵消电势Eab (T, Tn )的变化，二者之和Uo任不变。这种补偿电桥通常称为冷端温度补偿器3.2.2补偿电路参数的确定电桥平衡时有 RtR1=R2R3,温度有变化时，参考端电势发生变化，通过调节温敏电阻Rt来补偿变化了的电势。输出电压U 0的表达式为一 理辺如

11、tIU。二E凡 R塑丫1+叮 .R R人尺丿由平衡条件 邑=曳，以及二& L1，上式可简化为RR3R：RtU。< R2丿<R2Rt为简便起见,取R, =R2 = & =：1k“ ,温敏电阻Rt用一个2k"的滑动变阻器代替。当滑动变阻器接入电路的电阻为 1k时，电桥平衡。并且用滑动变阻器滑动端位置的变化接 入电路的电阻值不同来仿真温敏电阻随温度的变化电阻值不同的事实。第四章热电偶传感器输出信号的调节电路4.1带偏置电压的热电势放大电路的设计如图4.1为热电偶电势的放大电路。图中采用了三运算放大器的仪器仪表放大器，相对于单运放的放大器，它对抑制噪声有很好的功效

12、。且要求& =R5, R,=民，只2 =R74.2放大电路的参数设计图4.1带偏置电压的三运算放大器的仪器仪表放大器热电偶测量端的最高温度1200C，对应于镍铬-镍硅热电偶的输出电压为48.828mv，测量端的最低温度为 500C,其对应输出的热电势为 20.640mv,而要求的最大输出电压为2.5v.最小电压0v.因此需要给最低温度处设置一偏置电压，使测量端温度为500 C时的输出电压为0v。因所需的放大倍数 A = 2.5“ 48.828-20.640 103 88.69。因此所需的偏置电压为Vref =20.640 88.69 =1.83v。而三运放仪器仪表放大器的输出电压:U。

13、放大倍数为:A1+2色阻、R4 丿 R1-17 -因此，取 R3 二 R4 二 R5=1k, R1 二 R6=1k,R2 =R7 =28.56k, R =170mJ R9 =1.83"f129 56那么图示电路的放大倍数为：A =2 1 仝凹二88.68I1丿1基本满足所要求的增益 88.69.第五章 Multisim仿真5.1基于热电偶的温度测量放大电路仿真图5.1.1热电偶的温度测量电路5.1.1放大电路如图5.1.1为热电偶测温的放大电路基本原理图。仿真中用信号发生器产生变化的电压来模拟热电偶随所测温度变化输出热电势的不同值。用示波器来跟踪显示放大前和放大后 的电压值。图5.1

14、.2信号发生器的参数图5.1.3放大前后的电压的显示5.1.2放大电路仿真分析如图5.1.2为信号发生器的参数设计值，选择正弦波来代替热电偶随温度变化得不同而输出的电压值，并且设置信号发生器的输出电压为48.828-20.640 = 28.188mv，即热电偶所测最高温度即最低温度的差值。如图5.1.3为经放大器放大前后的电压显示情况。示波器 B通道为放大器的输入电压为 28.188mv，经放大器放大后的输出电压值为2.579v。则其放大倍数为 A =2.579 “28.188 103 : 91.50可见基本满足所要求的放大倍数。5.2热电偶冷端补偿电路的仿真5.2.1冷端补偿电路如图5.2.

15、1为热电偶的冷端补偿电路， 它属于慧斯登平衡电桥的一种。 图中用信号发生器 代替由于冷端温度波动而带来的输出的电压波动 ，且从C、D两点输入。A、B点接示波器, 对输出电压值进行考察。从而来仿真电桥的补偿作用。像 Function Generator-X.WaveformsSignal OptionsSet R.i?e/Fall TimeCommon图522信号发生器的设定值522补偿电路的仿真分析图5.2.3电桥平衡时的电压值XSC1Key=A图5.2.4电桥失衡电路图5.2.5电桥失衡时的电压值如图5.2.2为信号发生器的参数设定值。如图5.2.1为电桥平衡时的电路，滑动变阻器接入电路的电

16、阻值为1k，真好满足电桥的平衡条件。因此，此时A、B两点的电压值应1该相等，如图5.2.3正好证实了这一点。有 Ua =UbUc -Ud ； = 49.792mv。2如图5.2.4为电桥失衡时的电路，此时滑动变阻器接入电路的电压值为0.5k。因此，A、B两点的电压值不相等。如图5.2.5,有Ua =37.306mv,Ub =49.742mv，正好证实了这一点。第六章 心得体会通过这周的努力我完成了基于热电偶的测温电路仿真课程设计。刚开始的时候感觉 一筹莫展，不知道如何入手，觉得很困难，要自己独立完成课程设计很是不容易的事情。 不过，通过多方查阅资料，询问老师，与同学讨论，最后还是成功的完成了。这个课程 设计经过多次的修改和整理，但由于自己的水平有限，还有很多不足之处，希望在以后 的学习生活中能够进一步提高在没有做课程设计之前，觉得课程设计只是对知识的单纯总结，但是通过这次课程 设计发现自己的看法有点太片面，课程设计不仅是对前面知识的一种检验，也是对自己 的一种提高，通过这次课程设计使自己明白了原来的那点知识是非常欠缺的，要学习的 东西还很多，通过这次课设明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作和生活中都 应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。在这次课程设计的过程中，我得到了许多人的帮助。正是由于这些帮助