热电偶测温.doc

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课程设计报告
学生姓名:
孟凡雨
学号:
0807250126
学院:
自动化工程学院
班 级:
测控081
题目:
热电偶测温
指导教师: 职称:
年 月 日
目录
1ﻩ设计目的 1
2ﻩ设计要求ﻩ2
3 设计内容 3
总体设计ﻩ3
工作原理分析ﻩ3
3。3 器件选型说明ﻩ5
3。3。1热电偶选型 5
3。 7
原理图设计ﻩ8
电路仿真ﻩ10
PCB电路设计 11
可靠性和抗干扰设计ﻩ12
设计总结ﻩ13
II/15
4 设计心得和体会 14
【参考文献】 15
附录1:电路原理图ﻩ16
附录2:PCB图 16
附录3:PCB效果图 16
设计目的
了解常用电子元器件基本知识(电阻、电容、电感、二极管、三极管、集成电路);
了解印刷电路板的设计和制作过程;
掌握电子元器件选型的基本原理和方法;
了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧;
掌握热电偶温度传感器信号调理电路的设计,并利用仿真软件进行电路的调试。ﻬ
设计要求
选用热电偶温度传感器进行温度测量,要求测温范围100—300℃、℃。设计传感器的信号调理电路,实现以下要求:
—-5V直流电压信号;
对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据;
电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容;
电路的基本工作原理应有一定说明;
电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性(不限制EDA软件类型)。
设计内容
总体设计
热电偶作为一种主要的测温元件,具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。但是将热电偶应用在时,却存在着以下几方面的问题。①非线性:热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系,因此在应用时必须进行线性化处理.②冷补偿:热电偶输出的热电势为冷端保持为0℃时与测量端的电势差值,而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的,故需进行冷端补偿。③模拟小信号输出:作为模拟小信号测温元件的热电偶
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显然要对其信号进行放大。因此,热电偶应在应用时,须进行复杂的信号放大、查表线性线、温度补偿及抗干扰的硬件设计。
工作原理分析
热电偶测温原理
(1)定义:由两种导体组合而成,将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。
(2)测温原理 :热电偶的测温原理基于热电效应.
将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路,当两个接点 1 和2 的温 度不同时,如果T>T 0(如上图12—1热电效应),在回路中就会产生热电动势, 在回路中产生一定大小的电流,此种现象称为热电效应 .热电动势记为EAB,导体A 、,测量时将它置于测温场所感受被测温度,故称为测量端(或工作端,热端)。接点2要求温度恒定,称为参考端(或冷端)。
图3—1热电偶原理
(3)热电效应:导体A和B 组成的热电偶闭合电路在两个接点处分别由eAB(T)与 eAB(T0)两个接触电势,又因为T〉T0,在导体A和B中还各有一个温差电势。所以闭合回路总热电动势EAB(T,T0) 应为接触电动势和温差电势的代数和,即:闭合回路总热电动势。
对于已选定的热电偶,当参考温度恒定时,总热电动势就变成测量端温度T的单值函数,即EAB(T,T 0)= f(T)
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。这就是热电偶测量温度的基本原理。在实际测温时,必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。 由一种均质导体组成的闭合回路,不论导体的横截面积,长度以及温度分布如何均不产生热电动势。如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成,那么,热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关,与热电偶的温度分布无关;如果热电极为非均质电极,并处于具有温度梯度的温场时,将产生附加电势,如果仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低就会引起误差。
3。2。2放大电路原理
实际电路中,从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏(〈30mV),且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰,对这种电路放大就需要放大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,因此宜采用测量放大电路。测量放大器又称数据放大器、仪表放大器和桥路放大器,它的输入阻抗高,易于与各种信号源匹配,而它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小,并且温漂较小。由于时间温漂小,因而测量放大器的稳定性好。由三运放组成测量放大器,差动输入端R1和R2分别接到A1和A2的同相端。输入阻抗很高,采用对称电路结构,而且被测信号直接加到输入端,从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器,:AV=V0/(V2-V1),AV=Rf/R[1+(Rf1+Rf2)/RW]。在此电路中,只要运放A1和A2性能对称(主要指输入阻抗和电压增益),其漂移将大大减小,具有高输入阻抗和共模抑制比,对微小的差模电压很敏感,适宜于测量远距离传输过来的信号,因而十分易于与微小输出的传感器配合使用。RW是用来调整放大倍数的外接电阻,在此用多圈电位器.
所选放大电路的特点:
(1)高共模抑制比
共模抑制比(CMRR) 则是差模增益( A d)与共模增益(Ac)之比,即:CMRR =20lg|Ad/Ac| dB;仪表放大器具有很高的共模抑制比,CMRR典型值为70~100dB 以上。
(2)高输入阻抗
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要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗,仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡,其典型值为 109~1012Ω。
(3)低噪声
由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压,因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上,在1kHz条件下,折合到输入端的输入噪声要求小于 10nV/Hz.
(4)低线性误差
输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正,但是线性误差是器件固有缺陷,。01%, %.
(5)低失调电压和失调电压漂移
仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成,输入和输出失调电压典型值分别为100μV和2mV.
(6)低输入偏置电流和失调电流误差
双极型输入运算放大器的基极电流,FET型输入运算放大器的栅极电流,这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为1nA~50pA ;而FET 输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为 50pA。
器件选型说明
3。3。1热电偶选型:
本次设计选择K型热电偶:
镍铬—镍硅( 镍铝)热电偶 K型热电偶作为一种温度传感器,K型热电偶通常和显示仪表,℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
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图3-2 K型热电偶
K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。K型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶,其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1。2~4。0mm。
K型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜等优点,能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。
K型热电偶特点
检出(测温)元件热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。必须配二次仪表,其优点是:
①,不受中间介质的影响。
②测量范围广。常用的热电偶从—50~+1600℃均可连续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼).
③构造简单,,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便.
表1部分热电偶分度表:
温度单位:℃电压单位:mV) 参考温度点:0℃(冰点)
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。2运放放大器的选型
本次选择op07型运放放大器:
Op07芯片是一种低噪声,(对于OP07A最大为25μV),所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面。
图3-3OP07管脚图
特点:
超低偏移:150μV最大。 低输入偏置电流:。低失调电压漂移: /℃。 超稳定,时间:2μV/month最大高电源电压范围: ±3V至±22V
OP07芯片引脚功能说明:1和8为偏置平衡(调零端),2为反向输入端,3为正向输入端,4接地,5空脚6为输出,7接电源+
表2 所用元器件清淡表
器件类型
数量
单价
合计
K型热电偶
1


电阻
13
0。01
0。13
Op07放大器
电位器
3
3
2。00

2。00

原理图设计
三运放差分电路
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如图所示的同相并联三运放结构,。第II级采用差动电路用以提高共模抑制比。U4b838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用—参数—电子元器件符号
图3-4三运放差分放大电路
电路中输入级由A3、A4两个同相输入运算放大器电路并联,再与A5差分输入串联的三运放差动放大电路构成,其中A1、:差模信号按差模增益放大,远高于共模成分(噪声);决定增益的电阻(R1、Rp、R3)理论上对共模抑制比Kcmr没有影响,因此电阻的误差不重要。U4b838电子—技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识—原理-维修—作用-参数-电子元器件符号
总的原理图设计
如下图:
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图3-5原理设计图
电路仿真
图3—6电路仿真图
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