0 引言
温度是工业生产中重要的物理量, 产品的产量、质量、能耗等都直接与温度有关, 因此, 准确地测量温度具有十分重要的现实意义。测温的方法很多, 例如, 利用水银温度计、有机液体温度计、双金属温度计、液体压力温度计、铂电阻温度计、热敏电阻温度计、热电偶温度计、光学高温计、红外温度计、辐射温度计、比色温度计等等都可实现对温度的测量[1 ] 。其中, 热电偶温度计具有结构简单、测温范围广(低至负180 ℃, 高至1800 ℃) 、耐高温、准确度高、价格便宜、使用方便、适于远距离测量与自动控制等优点。因而, 它在高温测量方面得到较广泛的应用。
1 热电偶的工作原理
热电温度计是由热电偶、补偿导线及测量仪表构成的。其中热电偶是敏感元件, 它由两种不同的导体A 和B 连接在一起, 构成一个闭合回路, 当两个连接点1 与2 的温度不同时, 由于热电效应,回路中就会产生零点几到几十毫伏的热电动势, 记为EAB 。接点1 在测量时被置于测场所, 故称为测量端或工作端。接点2 则要求恒定在某一温度下,称为参考端或自由端, 如图1 所示。
实验证明, 当电极材料选定后, 热电偶的热电动势仅与两个接点的温度有关, 即
d EAB ( t1 , t2 ) = SAb ×d t ,
比例系数SAB 称为热电动势率, 它是热电偶最重要的特征量。当两接点的温度分别为t1 , t2 时, 回路总的热电动势为
式中eAB ( t1 ) 、eAB ( t2 ) 分别为接点的分热电动势。
对于已选定材料的热电偶, 当其自由端温度恒定时, eAB ( t2 ) 为常数, 这样回路总的热电动势仅为工作温度t1 的单值函数。所以, 通过测量热电动势的方法就可以测量工作点的实际温度。
2 热电偶测量温度的使用方法
图1 中我们把自由端2 画成虚线, 是想说明热电偶在使用时2 点实际上不是直接相接的。由热电偶的中间金属定律: “在热电偶测温回路中, 串接第三种导体, 只要其两端温度相同, 则热电偶所产生的热电动势与串接的中间金属无关”, 那么, 我们把较短的测量导线和仪表串接在2 点并视其为第三种金属, 就可认为它们不影响热电偶所产生的热电动势即工作温度的测量。
实际使用时, 测量场所与测量仪表往往相距很远, 又因为组成热电偶的材料比较贵重, 所以常加导线来连接。这里有两种使用方法: 第一种, 两根连接导线具有相同的热电性质, 如在一根导线(如常用的紫铜线) 上取下的两段线, 它们的化学成分和物理性质就很相近, 这时, 可根据中间金属定律判断出电偶的热电动势只取决于电偶两端温度t1 ,t2 , 其它环境温度的影响就可忽略。第二, 热电偶的两电极分别采用和自己热电性质相近的补偿导线延长至3 点, 这样热电动势只取决于t1 和t3 , 而与t2 无关。
上述使用情况中, 温度点t2 和t3 往往采用冰水混合物(0 ℃) 来恒定温度。这时, 总的热电动势就变成工作温度t1 的单值函数, 可记为E - t1 。
为了使用方便, 对于不同的热电偶规定了不同的分度号, 根据不同的分度号, 我们又可查找其对应的分度表, 从而得到标准热电偶E - t1 关系的具体对应值(相关温度点一般规定为0 ℃) 。下面给出一例[2 ] , 见表1。
热电偶测温时, 除工作端外的各个部分要求有良好的绝缘, 否则会引入误差, 甚至无法测量。另外, 为了支撑和固定热电极, 延长其寿命, 还应选择合适的保护套管材料。使用一段时间后, 热电偶要和标准偶进行校正。
3补偿电路的设计
现在的温度采集、控制系统可以将采集到的电偶电压经过放大、滤波、A D 变换成数字信号,并用下位单片机把它经过串行通信总线RS485、电平转换芯片MAX232、RS232 串行总线送给上位计算机, 从而实现测量、控制作用。也可使用智能控制仪表(含IC 微处理器) 来实现显示和控制, 具体的流程如图2 所示。
为了方便, 我们可不使用冰水混合物来恒定温度, 而是采用补偿电路的方法。具体办法是采用计算修正法。由补偿电路测得温度t2 (或t3 ) 的电压并送给仪表或计算机, 由计算机换算出温度t2(或t3 ) , 再由软件查表法, 根据数据库中存放的热电偶分度表查出对应的电偶的EAB ( t2 ,0 ℃) 值,然后, 根据电偶电路直接测得的EAB ( t1 , t2 ) 值, 并按下式:
EAB ( t1 ,0 ℃) = EAB ( t1 , t2 ) + EAB ( t2 ,0 ℃) [3],计算EAB ( t1 ,0 ℃) , 最后还由计算机软件查表法,根据分度表反过来查出对应的工作温度值, 从而实现显示、控制。该温度值即为被测的工作点真实温度值, 按照这个步骤进行修正, 结果很精确。
这里的电路设计难点是温度点t2 (或t3 ) 补偿测量电路的设计,下面给出了电路图如图3 所示。
图3 是一个温度2电压转换电路。电路中A1(电压跟随器) 经过14kΩ 和10kΩ 电阻分压提供了5V 的参考电压( ER ) , 并作为后级放大电路的桥路端电压。它的第二级A2 组成差动放大运算电路。其输入端为带有温度敏感元件的桥式电路[4 ] 。
UP 和UQ 分别为差动放大器的两个输入电压,其中UP = RX ER / ( RC + Rx ) , UQ = RB ER( RA + RB ) ,RF = 1MΩ , RI = 36KΩ。当RI 远大于桥路的四个臂电阻RA , RB , RC 和RX 时, 输出电压可以简化成:
Uo = ( UQ - UP ) RF/ RI ,
在桥路中, Rx 的两端接热敏电阻。温度敏感元件采用PB241 型热敏电阻。它在0～50 ℃的范围内被认为是线性的。这样, 我们就得到了电偶温度点t2 (或t3 ) 与Uo 的关系。
电位器Rw1 (1kΩ) 可以校正输出电压在桥路平衡时为零, Rw2 (1kΩ) 可以校正输出电压值。两电阻的综合作用是使放大器在温度0～50 ℃的范围内, 输出电压满足0 至5V 的要求。
当然, 我们也可采用其它方法构成的测温补偿电路。例如, 利用线性放大器组成的恒流源和温敏PN 结(在其流过的电流恒定时, 其两端电压与在一定范围内变化的温度基本成线性关系) 就可以得到温度2电压关系。再如, 利用恒流源和铂热电阻(它被公认为是温度敏感元件中准确度和重复性的标准。) 可得到温度2电阻关系, 并可以把温度引起的阻值变化量经过电阻串连转变为电压变化输出, 并经过调理电路把电压信号调理为0 至5V 输出, 经A/ D 变换后可用单片机或微机实现对温度的实时采集。
4 结论
热电偶原理易被掌握, 在高温测量、控制方面应用广泛。如采用合理的补偿电路(即输入端带有桥式电路的差动运放电路) 后, 更能准确测量工作点的实际温度值, 从而实现对温度或其它过程量的控制。