CN103674308B - 精密可调式热电偶冷端温度补偿仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密可调式热电偶冷端温度补偿仪，包括稳压电源电路、可调节冷端补偿电路以及信号放大处理模块；所述的稳压电源电路分别与可调节冷端补偿电路以及信号放大处理模块连接，用于为整个仪器提供稳定的正负电源；所述的可调节冷端补偿电路的输出端与热电偶串联，用于输出若干路适用于不同型号热电偶冷端补偿的电压信号；所述的信号放大处理模块分别与测量仪表、可调节冷端补偿模块的输出端连接，用于将冷端补偿电压信号与热电偶产生电压信号叠加，经滤波、放大后，输出补偿后的热电偶信号。本发明补偿精度高，受环境因素影响小，克服微弱信号不易测量等缺点，能够实现对多种类型热电偶进行精确冷端补偿。

Description

精密可调式热电偶冷端温度补偿仪

技术领域

本发明涉及热电偶的冷端补偿温度测量技术，具体的说是涉及一种适用于针对低温情况下及微小型热电偶输出信号微弱，难以测量等场合使用的精密可调式热电偶冷端温度补偿仪器。

背景技术

热电偶温度传感器是目前接触式测温中应用最多的热电式传感器，具有结构简单，制作方便，测温范围广、热惯性小等优点。

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体A、B组成闭合回路。当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就会产生电动势——热电动势，即存在塞贝克效应(Seebeck effect）。温度较高的一端为工作端（热端），温度较低的一端为参考端（冷端），标准热电偶参考端通常处于某个恒定的温度下，应为0℃，但由于0℃很难实现和控制，因此，热电偶测量温度时要求其冷端的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的温度随环境温度变化，将严重影响测量的准确性。因此，应用热电偶测量温度时，必须对其进行冷端补偿。

目前工业上广泛使用的热电偶冷端温度补偿方法有补偿电桥法、冰点槽法和校正仪表零点法。

如图5所示，补偿电桥法是将电桥的输出端与热电偶串联，并将热电偶的冷端与电桥置于同一温度场中。设计电桥时一般选择20℃为电桥平衡温度，此时a、c两点电位相等，电桥输出电压为零。当温度不等于20℃时，热电偶由于冷端温度变化使热电偶的输出电势产生变化量△E，此时由于R_H（R_H的电阻温度系数较大，其余桥臂电阻均由电阻温度系数很小的锰铜丝绕成，可认为其阻值不随温度变化）的阻值变化，使a、c两点间电位不等，电势差不为零，自动给出一个补偿电势△E`。由于△E和△E`大小相等，方向相反，这样便达到自动补偿的目的。但此法中，不同型号的补偿器往往只针对一种特定的热电偶进行冷端补偿和信号调理，不能针对多种类型热电偶进行冷端补偿，而且温度补偿范围有限，只能在规定的范围内使用，通常为0～40℃，补偿精度低，受环境因素影响大。

冰点槽法是把热电偶的参考端置于冰水混合物容器里。但这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。

校正仪表零点法是当热电偶的冷端温度较为恒定时，可在测温前断开测试电路，将显示仪表的机械零点调整到冷端温度上，这相当于把热电势修正值预先加在显示仪表上。当接通测量电路时，显示仪表的指示值即为实际被测温度。此法简单易行，在工业上经常使用。如果控制室的室温经常变化，会产生较大的测量误差，仪表调整困难。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种补偿精度高，受环境因素影响小，克服微弱信号不易测量等缺点，实现了能够对多种类型热电偶进行精确冷端补偿的精密可调式热电偶冷端温度补偿仪器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

精密可调式热电偶冷端温度补偿仪，其特征在于：包括稳压电源电路、可调节冷端补偿电路以及信号放大处理模块；所述的稳压电源电路分别与可调节冷端补偿电路以及信号放大处理模块连接，用于为整个仪器提供稳定的正负电源；所述的可调节冷端补偿电路的输出端与热电偶串联，用于输出若干路适用于不同型号热电偶冷端补偿的电压信号；所述的信号放大处理模块分别与测量仪表、可调节冷端补偿模块的输出端连接，用于将冷端补偿电压信号与热电偶产生电压信号叠加，经滤波、放大后，输出补偿后的热电偶信号。

所述的稳压电源电路包括交流变压器T1，桥式整流电路，滤波电路，稳压集成模块IC1、IC2以及去纹波电容，所述的交流变压器T1用来将220V交流电转化为桥式整流所需电压；所述的桥式整流电路用于将交流变压器T1输出的交流电压转化为直流电压；所述的稳压集成模块用于仪器内的其他模块提供稳压电源，所述的去纹波电容用于滤除稳压集成模块输出电源的干扰信号，提高电源的输出精度。

所述的稳压电源电路连接发光二极管，用于指示稳压电源模块工作状态。

所述的可调节冷端补偿电路包括精密集成温度传感器以及与其连接的精密分压电阻，所述的精密集成温度传感器用于测量热电偶冷端温度，并将检测的冷端温度信号转换为模拟电压信号后输出相应的电压信号；所述的精密分压电阻用于将精密集成温度传感器输出的电压信号进行分压，产生适用于不同类型热电偶所需补偿信号。

所述的可调节冷端补偿电路还包括与精密分压电阻连接的多档位旋钮开关S1，所述的多档位旋钮开关S1用于控制选择输出接入仪器的不同类型热电偶的补偿电压，通过开关转换就能够实现分别补偿不同类型热电偶的目的。

所述的信号放大处理模块包括可调运算放大电路、前端处理电路和输出处理电路，所述的可调运算放大电路由放大器A2，若干个电阻以及多档位旋钮开关S2组成；所述前端处理电路和输出处理电路用于对信号进行滤波处理，去除信号噪声。

所述的放大器A2采用同向输入并采用负反馈形式设定放大器放大倍数。

所述放大器A2的反馈回路由精密电阻R8、R9、R10、R11、R12以及多档位旋钮开关S2构成，通过切换旋钮开关S2档位，将不同电阻接入放大电路，实现不同放大增益的输出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用先进的精密集成温度传感器，能够在-55℃～+150℃环境下对热电偶进行冷端补偿。采用精密电阻、运算放大器；保证了动态响应时间短，补偿精度高，可以进行连续测量等优点；同时采用正负电源为传感器和外围电路供电，能够为热电偶补偿负电压，能够在零摄氏度以下环境中正常工作。

2、本发明有多种补偿模式，能够对E、J、K、R、S、T等多种类型热电偶进行冷端温度补偿。

3、本发明设计了多个档位的放大档位，供不同精度等级测量终端测量。可有效减小测量误差。

4、本发明采用标准信号输出，可直接由计算机进行数据采集和处理。

附图说明

图1本发明热电偶冷端补偿仪原理框图；

图2本发明稳压电源电路原理图；

图3本发明可调节冷端补偿电路原理图；

图4本发明可调运算放大电路原理图；

图5补偿电桥法电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如附图1所示，本发明主要包括直流稳压电源电路、可调节冷端补偿电路和信号放大处理模块；热电偶信号经前端处理电路对信号滤波处理后与冷端补偿电路输出端串联，经信号放大和滤波后输出电压信号，连接测量仪表测量。

图2为本发明的稳压电源电路原理图，由图可知稳压电源电路主要由220V输入的交流变压器T1，桥式整流电路，滤波电路，稳压集成模块IC1、IC2，去纹波电容等构成。其中，交流变压器T1用来将220V交流电转化为桥式整流所需电压；桥式整流电路将交流电压转化为直流电压；稳压集成模块可以输出±15V电压，用于为其他模块提供高精度电源。

其中可通过接入发光二极管，指示稳压电源电路工作状态。

图3为本发明的可调节冷端补偿电路原理图。由图可知可调节冷端补偿电路主要由精密集成温度传感器U4和精密电阻构成。其中精密温度传感器U4采用型号为LM35精密温度传感器，主要用于测量冷端温度，并将冷端温度信号转换为模拟电压信号进行输出，一般正常工作情况下第二脚输出电压信号为10mV/℃。如图3所示，精密集成温度传感器U4的第1脚接电源正极，第三脚接地，第二脚输出通过电阻R₄₁接负电源。其中R₄₁计算方法如下：

$R_{41}=15V/50\mathrm{\μA}=300\mathrm{k\Ω}$

当精密集成温度传感器U4的工作电压在4～30V范围以内时，该芯片从电源吸收的电流几乎是不变的，约50μA。其第二引脚输出计算公式：

因此，当冷端温度为-55℃时，第二脚输出电压为-550mV；当冷端温度为0℃时，第二脚输出电压为0V；当冷端温度为150℃时，第二脚输出电压为1500mV。

其输出电压信号由精密电阻R20、R22、R24、R26、R28、R30和R40分压，进而产生六种不同热电偶所需补偿信号；通过六档位旋钮开关控制接入仪器的六种热电偶补偿电压，达到补偿类型可调节的目的；通过开关转换就能够分别补偿E、J、K、R、S、T六种类型热电偶。

图4为本发明的可调运算放大电路原理图。可调运算放大电路是由放大器A2，若干个电阻以及多档位旋钮开关S2组成；用于将冷端补偿信号与热电偶产生电压信号叠加，经滤波、放大器A2放大后，输出补偿后的热电偶信号；如图4，放大器A2与精密电阻R8、R9、R10、R11、R12通过旋钮开关构成放大电路，通过切换旋钮开关，将不同电阻接入放大电路，实现不同增益输出，如图4所示为五级（1、10、100、500、1000倍）增益输出。

所述的放大器A2采用同向输入并采用负反馈形式设定放大器放大倍数。

所述放大器A2的反馈回路由精密电阻R8、R9、R10、R11、R12以及多档位旋钮开关S2构成，通过切换旋钮开关S2档位，将不同电阻接入放大电路，实现不同放大增益的输出。

其放大增益计算公式如下，

$A=\frac{R}{R+R_3}$

其中R为接入放大电路中的精密电阻。

所述的信号放大处理模块中滤波电容C12来滤除输入信号干扰。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.精密可调式热电偶冷端温度补偿仪，其特征在于：包括稳压电源电路、可调节冷端补偿电路以及信号放大处理模块；所述的稳压电源电路分别与可调节冷端补偿电路以及信号放大处理模块连接，用于为整个仪器提供稳定的正负电源，所述的稳压电源电路包括交流变压器T1，桥式整流电路，滤波电路，稳压集成模块IC1、稳压集成模块IC2以及去纹波电容，所述的交流变压器T1用来将220V交流电转化为桥式整流电路进行桥式整流所需电压；所述的桥式整流电路用于将交流变压器T1输出的交流电压转化为直流电压；所述的稳压集成模块IC1、稳压集成模块IC2均用于为仪器内的其他模块提供稳压电源，所述的去纹波电容用于滤除稳压集成模块IC1、稳压集成模块IC2输出电源的干扰信号，提高电源的输出精度；所述的可调节冷端补偿电路的输出端与热电偶串联，用于输出若干路适用于不同型号热电偶冷端补偿的电压信号，所述的可调节冷端补偿电路包括精密集成温度传感器以及与其连接的精密分压电阻，所述的精密集成温度传感器用于测量热电偶冷端温度，并将检测的冷端温度信号转换为模拟电压信号后输出相应的电压信号；所述的精密分压电阻用于将精密集成温度传感器输出的电压信号进行分压，产生适用于不同类型热电偶所需补偿信号；所述的信号放大处理模块分别与测量仪表、可调节冷端补偿模块的输出端连接，用于将冷端补偿电压信号与热电偶产生电压信号叠加，经滤波、放大后，输出补偿后的热电偶信号。

2.根据权利要求1所述的精密可调式热电偶冷端温度补偿仪，其特征在于：所述的稳压电源电路连接发光二极管，用于指示稳压集成模块IC1、稳压集成模块IC2工作状态。

3.根据权利要求1所述的精密可调式热电偶冷端温度补偿仪，其特征在于：所述的可调节冷端补偿电路还包括与精密分压电阻连接的多档位旋钮开关S1，所述的多档位旋钮开关S1用于控制选择输出接入仪器的不同类型热电偶的补偿电压，通过开关转换就能够分别补偿不同类型热电偶。

4.根据权利要求1所述的精密可调式热电偶冷端温度补偿仪，其特征在于：所述的信号放大处理模块包括可调运算放大电路、前端处理电路和输出处理电路，所述的可调运算放大电路由放大器A2，若干个电阻以及多档位旋钮开关S2组成；所述前端处理电路和输出处理电路用于对信号进行滤波处理，去除信号噪声。

5.根据权利要求4所述的精密可调式热电偶冷端温度补偿仪，其特征在于：所述的放大器A2采用同向输入并采用负反馈形式设定放大器A2放大倍数。

6.根据权利要求5所述的精密可调式热电偶冷端温度补偿仪，其特征在于：所述放大器A2的反馈回路由精密电阻R8、R9、R10、R11、R12以及多档位旋钮开关S2构成，通过切换多档位旋钮开关S2档位，将不同电阻接入放大电路，实现不同放大增益的输出。