簡(jiǎn)述集成運(yùn)放的熱電偶測(cè)溫電路

沈洋

【摘要】本文介紹了熱電偶基本知識(shí)，重點(diǎn)簡(jiǎn)述了K型熱電偶測(cè)溫原理以及利用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成測(cè)溫電路的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】熱電偶;測(cè)溫;集成運(yùn)放

1.熱電偶簡(jiǎn)介

熱電溫度記錄儀常以熱電偶作為測(cè)溫元件，它廣泛用來(lái)測(cè)量-200℃-1300℃范圍內(nèi)的溫度，特殊情況下，可測(cè)至 2800 ℃的高溫或 4K 的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，準(zhǔn)確度高，測(cè)溫范圍廣等特點(diǎn)。由于熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電量進(jìn)行檢測(cè)，使溫度的測(cè)量、控制、以及對(duì)溫度信號(hào)的放大變換都很方便，適用于遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制。在接觸式測(cè)溫法中，熱電溫度計(jì)的應(yīng)用最普遍。

K型熱電偶作為一種溫度傳感器，K型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。K型熱電偶可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。

K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線(xiàn)盒等主要部件組成。它是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。K型熱電偶絲直徑一般為1.2～4.0mm。具有線(xiàn)性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中廣泛為用戶(hù)所采用。K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛。

2.熱電偶測(cè)溫原理

1823年塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時(shí)，回路中就要產(chǎn)生熱電勢(shì)，稱(chēng)為塞貝克電勢(shì)。

圖1 熱電偶原理圖

如圖1所示，兩種不同材料的導(dǎo)體A和B，一端溫度為T(mén)0，另外一端溫度為T(mén)（設(shè)T>T0），這時(shí)在這個(gè)回路中將產(chǎn)生一個(gè)與溫度T 、T0以及導(dǎo)體材料性質(zhì)相關(guān)的電勢(shì)EAB（T，T0），顯然可以利用這個(gè)熱電效應(yīng)來(lái)測(cè)量溫度。在測(cè)量技術(shù)中，把由兩種不同材料構(gòu)成的上述熱電變換元件稱(chēng)為熱電偶。A、B導(dǎo)體稱(chēng)為熱電極，兩個(gè)接點(diǎn)，一個(gè)為熱端（T），又稱(chēng)為測(cè)量端;另一個(gè)為冷端（T0）又稱(chēng)為參比端。

熱電偶的熱電勢(shì)EAB（T，T0）是由帕爾貼電勢(shì)（接觸電勢(shì)）和湯姆遜電勢(shì)（溫差電勢(shì)）合成的。接觸電勢(shì)是指兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體在接觸處產(chǎn)生的電勢(shì)，此電勢(shì)與兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)及在接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。而溫差電勢(shì)是由于兩熱電極兩端溫度不同產(chǎn)生的電勢(shì)。

熱電偶的熱電勢(shì)EAB（T，T0）大小與熱電極直徑、長(zhǎng)度及沿?zé)犭姌O長(zhǎng)度上的溫度分布無(wú)關(guān)，只與熱電極材料和兩端溫度有關(guān)。熱電偶回路中插入其它導(dǎo)體或電路時(shí)，不會(huì)影響原來(lái)熱電勢(shì)的大小。

熱電偶根據(jù)制造材料不同和測(cè)溫范圍不同，可分為K、E、J、T、B、R、S型，其中K型熱電偶線(xiàn)性度較好。表1所示為K型熱電偶的分度表。

從表1中可以觀察到當(dāng)冷端和熱端溫差為0℃時(shí)，冷端輸出熱電勢(shì)為0mV，當(dāng)溫差為100℃時(shí)，輸出熱電勢(shì)為4.096mV，當(dāng)溫差為200℃時(shí)，輸出熱電勢(shì)為8.138mV，當(dāng)溫差為400℃時(shí)，輸出熱電勢(shì)為16.397mV，輸出的熱電勢(shì)與溫差基本是線(xiàn)性關(guān)系的。根據(jù)熱電偶的中間溫度定理，當(dāng)冷端和熱端溫度分別為T(mén)和0時(shí)，而T0是它們的中間溫度，那么熱電勢(shì)EAB（T，0）可寫(xiě)成EAB（T，T0）加上EAB（T0，0），即：

EAB（T，0）=EAB（T，T0）+EAB（T0，0） ? ?（1）

通常冷端在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，用T0表示實(shí)驗(yàn)室溫度，設(shè)為20℃，那么（1）式可寫(xiě)成：

EAB（T，0）=EAB（T，20）+EAB（20，0） ? ?（2）

根據(jù)熱電勢(shì)與溫差之間的線(xiàn)性關(guān)系，可寫(xiě)出：

T=ΔT+20 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

即測(cè)量點(diǎn)的絕對(duì)溫度等于測(cè)量點(diǎn)與冷端的溫度差ΔT加上冷端的溫度（實(shí)驗(yàn)室溫度），通?？捎脺囟扔?jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室溫度。我們把以上提到的測(cè)溫方法稱(chēng)為冷端溫度修正法，主要應(yīng)用在冷端所處溫度基本不變的前提下，如實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下。當(dāng)冷端溫度不穩(wěn)定時(shí)，通常采用冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法，需要在電路中加入冷端補(bǔ)償電路。

3.集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的熱電偶測(cè)溫電路

由于熱電偶輸出的熱電勢(shì)數(shù)值很小，可經(jīng)過(guò)同相比例放大電路將輸出電壓放大，而且可讓輸出的電壓值與溫度差能夠?qū)?yīng)上，可設(shè)計(jì)出圖2所示的電路。

圖2 運(yùn)算放大器構(gòu)成的熱電偶測(cè)溫電路

K型熱電偶兩端溫差為0℃時(shí)，即兩端同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中時(shí)，產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為0mV，溫差為100℃時(shí)產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為4.096mV。若調(diào)節(jié)RP使電路的放大倍數(shù)為244倍，則熱電偶在0-100℃范圍內(nèi)的輸出電壓為0.00-1.00V，靈敏度為10mV/℃。這樣，1.00V可讀成100℃，那么0.80V對(duì)應(yīng)就是80℃，0.12V對(duì)應(yīng)就是12℃。需要說(shuō)明的是，該電路測(cè)量的只是冷端與熱端的溫度差，溫度差加上實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度才是測(cè)量的實(shí)際溫度。