测控电路设计课程设计说明

1、第一章 热电偶测温的基本工作原理1.1基本理论 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。 A T(1) T0(2) B图1-1-1热电效应示意图 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AB。测温时接点（1）置于被测温场中，称为测量端，接点（2）一般处于某一恒定温度，称为参考端。热电偶两个电极材料确定以后，热电偶的热电势就只与热电偶两端温度有关。EAB=EAB(T)EAB(T0) （1-1-2）1.2热电偶测温的原理和方法由1-1式可知，如果使参考端温度T0保持不

2、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 EAB(T,T0) = 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 = 0，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0的情况下使用的。在参考温度T0为已知值，但不是0的情况下，应采取如下计算修正的办法。若用查表法测温，则应在测出EAB(T,T0)和已知

3、T0后，先从分度表上查出与T0对应的EAB(T,0)值，再按中间温度定律，即EAB(T,T0)= EAB (T, Tn ) + EAB (Tn,T0) (1-2-2)计算出EAB (T,0) 值,即 EAB(T,0) = EAB (T,T0) + EAB (T0,0) (1-2-3) 最后从分度表查出与EAB(T,0)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）分度表镍铬-镍硅热电偶（K型）分度表 （参考端温度为0）温度0102030405060708090热电动势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热电偶材料的选择 根据热电偶的中间导体定律，即EABC(T,T0)= EAB(T,T0)，选择如图2.1的热电偶结构根据所测的温度范围 5001200以及

7、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01300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，且若使用“冰浴法”，因其保证了冷端温度为0，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 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T00时，还须用计算修正测

8、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，基本原理如图所示。 A T Uo B图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，可以认为其电压值是定植；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

9、电偶输出的热电势 EAB (T, Tn )叠加成Uo输入到测量仪表。即 UoEAB (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TnT0时，Uo0当TnT0时，UabEAB (Tn,T0) (3-1-2)由(1-2-2) 式可知，无论是TnT0 还是TnT0，都能使UoEAB (T, Tn )Uab= EAB (T, Tn ) + EAB (Tn,T0)= EAB(T,T0) (3-1-3)即Uo 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Uo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

10、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Uo的表达式为由平衡条件,以及，上式可简化为为简便起见,取,温敏电阻用一个的滑动变阻器代替。当滑动变阻器接入电路的电阻为时，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

11、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。且要求 4.2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1200，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500，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时的输出电压为0v。因所需的放大倍数。因此所需的偏置电压为。而三运放仪器仪表放大器的输出电压：，放大倍数为： 因此，取，,那么图示电路的放大倍数为： 基本满足所要求的增益88.69. 第五章 Multi

12、sim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5.1.2信号发生器的参数图 放大前后的电压的显示5.1.2放大电路仿真分析如图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，即热电偶所测最高温度即最低温度的差值。如图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

13、值为2.579v。则其放大倍数为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冷端补偿电路 C B A D 图热电偶冷端补偿电路如图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。图信号发生器的设定值补偿电路的仿真分析图5.2.3电桥平衡时的电压值 C A B C图电桥失衡电路图电桥失衡时的电压值如图为信号发生器的参数设定值。如图为电桥平衡时的电路，滑动变阻器接入电路的电阻值为，真好满足电桥的平衡条件。因此，此时A、B两点的电压值应

14、该相等，如图正好证实了这一点。有。如图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。因此，A、B两点的电压值不相等。如图，有，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，让我解决了不少不太明白的设计难题，让我把系统做得更加完善，使得我能顺利完成这次课程设计