热电偶的应用_一、热电偶传感器测温系统的设计应用

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一、热电偶传感器测温系统的设计应用下面介绍一个典型的单片机控制的测温系统，它由三大部分组成：(1)测量放大电路；(2)A/D转换电路；(3)显示电路。它广泛应用于发电厂、化工厂的测温及温度控制系统中。1、硬件设计(1) 热电偶温度传感器本系统使用镍铬—镍硅热电偶，被测温度范围为0～655℃，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。不平衡电桥由电阻R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、Rcu(铜丝绕制)四桥臂和桥路稳压源组成，串联在热电偶回路中。Rcu与热电偶冷端同处于±0℃,而R1=R2=R3=1Ω，桥路电源电压为4V，由稳压电源供电，Rs为限流电阻，其阻值因热电偶不同而不同，电桥通常取在20℃时平衡，这时电桥的四个桥臂电阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端无输出。当冷端温度偏离20℃时，例如升高时，Rcu增大，而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。Uab与热电势减小量相等，Uab与热电势迭加后输出电势则保持不变，从而达到了冷端补偿的自动完成。(2) 测量放大电路实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏(1、硬件设计该控制器是以89Ｃ51为控制核心，以电磁阀为驱动部件，以及温度采样、热电偶信号采样、显示等电路组成。系统框图如图5.3.2所示。　　图5.3.2　恒温炉控制器系统框图89Ｃ51单片机，其指令系统与ＭＣＳ-51完全兼容，且片内带有4ＫＢ的Ｅ2ＰＲＯＭ，可以方便地构成一个最小系统。采样10位数字温度传感器，经ＣＰＵ处理后，实时地显示在液晶屏上，热电偶电路时刻监视着是否有异常情况出现。1）数字温度采样电路本系统中使用ＡＤ公司的产品ＡＤ7416，它由带隙温度传感器、10倍Ａ/Ｄ转换器、温度寄存器、可设点比较器、故障排队计数器等组成。传感器将温度转换成电压，将由Ａ/Ｄ转换器转换成10位数字量送温度值寄存器。Ａ/Ｄ转换器的一次转换时约为400μｓ，精度可达0 25。ＡＤ7416的接口方式为Ｉ2Ｃ/ＳＭＢＵＳ，温度测量范围为-55～125℃之间，有节电工作方式，可用于电池供电。ＡＤ7416的地址由Ａ0、Ａ1、Ａ2决定，地址格式为：1001Ａ2Ａ1Ａ0Ｒ/Ｗ，最大可并联8片，本系统中只用了一片ＡＤ7416，连线方式如图5.3.3所示。因温度的惯性系数较大，可采用简便有效的移动平均值法、中值法、低通滤波法等进行软件滤波。实时采样和计算平均值，以平均值作为实际温度采样值。采样次数为8～16次。由于采用了数字温度传感器，完全打破了传统的设计模式，简化了设计方案，提高了系统的可靠性，方便地实现了标度变换。2）热电偶反馈电路因为加热器使用液化气为燃料，加热过程要耗氧，可能引起环境中的氧含量不足，所以在加热器加热过程中要时刻监视液化气燃烧是否充分。实验证明，当氧含量正常时，燃气烧到热电偶输出的电压在20ｍＶ以上，而当氧含量低于某一值时，热电偶输出的电压会在12ｍＶ以下。通过如图5.3.4所示电路，把热电偶电压接入电路，以检测电压超过18ｍＶ时，电路输出端输出高电平，电压低于13ｍＶ时，电路输出端输出低电平。（3）其他外围驱动电路其功能主要是把Ｐ1口输出的信号接入7407，由7407驱动固态继电器的输入端，继电器的输出端驱动两个电磁阀和一个电子脉冲打火器。为了控制恒温炉的温度并向系统输入数据，系统应附有键盘，并能完成温度的增减，恒温炉的启动与停止，另外还设有设置键，用于加热过程中重新设置温度，当恒温炉启动后，液晶屏即实时地显示所测量的温度值，出现异常情况显示故障状态。2、软件设计软件采用模块化结构。软件主要完成如下任务：扫描键盘并按要求调出设定值或输入新的设定值，并判断是否启动，启动时首先打开加热阀供气，开启电子打火器，点火成功后，打开主出气阀，然后监视温度的变化，当温度超出设定温度值1℃时，关闭主出气阀，当温度低于设定温度1℃时，打开主出气阀。若点火不成功，则每隔15ｓ重复上述启动过程，若3次点火不成功，关闭加热偶阀，在液晶屏显示故障状态。正常启动后，程序时刻监视热电偶的状态，若出现热电偶电压不足，关闭主出气阀和加热阀，等待人工参预。图5.3.3　采样电路 图5.3.4　热电偶反馈电路上一页1【内容导航】 第1页：一、热电偶传感器测温系统的设计应用第2页：二、恒温炉控制器第3页：三、盐浴炉的温度控制系统设计盐浴炉温度控制系统利用S型铂铑-铑热电偶检测温度，热电偶进行冷端补偿，热电偶检测的信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采用分段查表法获取各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉温度，控制周期为100个三相交流市电周期，即2s。由单片机控制可按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。1、系统总体方案采用晶闸管调功实现盐浴炉的温度控制，即通过控制晶闸管导通与关断的周波数比率，从而达到调功的目的。晶闸管的触发由单片机控制，通过单片机编程可方便地实现按预定温度曲线进行加热。盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、采样保持、A/D转换，再由单片机进行数据处理及线性化校正，以实现盐浴炉实际温度的检测和显示。其系统总体框图如下：图5.3.6 系统总体框图2、温度检测电路盐浴炉常用温度在800～1500℃之间，适用于对精密仪器设备或大型设备的关键性部件进行淬火，对温度控制要求高，所以，对温度检测要求也高。热电偶是测温的一次仪表，对它的选择将直接影响检测精度。目前测温常选用K型镍铬-镍硅热电偶，它具有较好的温度-热电势的线性度，给以后数据处理带来许多方便，但它不宜长期在1300℃左右的高温下使用。因此，我们选用S型铂铑-铂热电偶，其测温范围为0～1600℃，它与K型相比，有较高的精度，但它的线性度较差。为此，我们采取每10℃分一段，800～1500℃之间共分70段，在每一段中取各段中点的热电势率K作为各段诸点热电热率的平均值。该近似修正方法误差小，且不超过放大电路和A/D转换等环节所产生的误差。热电偶温度检测与放大电路如下图5.3.7。图5.3.7　热电偶温度检测与放大电路其中Vi为热电偶感应的热电势输入，经自稳零高精度运放ICL7650放大后，V01=(R4+R5)*Vi/R4，再由第二级运放μA741放大后V02=(R8+R7)·(R4+R5)·Vi/R4R5，最后，为实现阻抗变换匹配需射极跟随器，也由μA741实现。A/D转换器选用ADC0809，考虑本系统的最大迟滞时间及热电偶温度信号的非线性，选用ADC0809完全符合要求。A/D转换后的数字量送单片机，进行数值处理后，通过比较由查表方法得热电势率K，再求得实际炉温，送LED显示。热电偶的输出电势，不仅与工作端温度有关，而且与冷端温度有关，要想提高检测精度，还必须进行冷端补偿，其电路略。3、过零检测及晶闸管触发电路本系统采用双向晶闸管，即可控硅作为输出功率控制部件，通过可控硅调压来实现交流调功。通常可控硅实现交流调功，触发有两种方法，即移相触发和过零触发。移相触发是通过改变电压调节导通角来实现调压，但改变电压波形。过零触发不改变电压的波形而只改变电压全波通过的次数。由于移相触发方式使电压波形发生改变，常常对电网造成强烈的冲击，不规整的脉冲也会引起电网波形的畸变，同时产生干扰。而过零触发没有改变电压的波形，不具有上述缺点，因此，本系统采用过零触发方式。过零检测和晶闸管触发电路如图5.3.8所示。图5.3.8　过零检测和晶闸管触发电路　　为了达到过零检测的目的，应设计交流全波过零检测电路。正弦交流电半波整流后每秒有100次过零点，图5-18上部电路每秒产生100个2ms的过零负脉冲，加到单片机定时器/计数器外部计数脉冲输入端T0(P3.4)引脚上，对过零负脉冲进行计数。取控制周期T为100个三相交流电周期(即T=2s)，则一个周期内有200个过零负脉冲。.图5-18下部电路是晶闸管触发电路，单片机在200个波头数周期中由P1.2对过零负脉冲记数，前n个波头数时间内晶闸管导通，后N-n个波头数时间内晶闸管关断，则输入盐浴炉的功率为P=n·U2/N·R其中，n为允许导通的波头数，N为一个周期内波头数，即200，U为电网电压，R为负载有效电阻。单片机根据热电偶检测的炉温与预设炉温比较，逐渐找到最佳过零个数n，以达到炉温恒定的目的。上一页12【内容导航】 第1页：一、热电偶传感器测温系统的设计应用第2页：二、恒温炉控制器第3页：三、盐浴炉的温度控制系统设计