第15章 熱電偶的應用

1、第第1515章章 熱電偶溫度測量系統(tǒng)的設計熱電偶溫度測量系統(tǒng)的設計15.1 15.1 設計任務設計任務115.2 15.2 電路原理與設計電路原理與設計15.3 15.3 LabVIEW虛擬儀器設計虛擬儀器設計3215.1設計任務15.115.1設計任務設計任務 本設計用本設計用K K型熱電偶設計量程范圍為型熱電偶設計量程范圍為0 0100100的溫度顯示器，并在電路設計中加入冷端補償器對的溫度顯示器，并在電路設計中加入冷端補償器對冷端溫度進行補償，最后利用冷端溫度進行補償，最后利用LabVIEWLabVIEW設計虛擬儀設計虛擬儀器顯示測量溫度值。通過本設計須掌握以下幾點：器顯示測量溫度值。通

2、過本設計須掌握以下幾點：1 1）了解）了解K K型熱電偶測量溫度的方法，和電橋補償法。型熱電偶測量溫度的方法，和電橋補償法。2 2）掌握利用熱電偶的原理建立仿真模型。）掌握利用熱電偶的原理建立仿真模型。3 3）會使用）會使用LabVIEWLabVIEW進行編程。進行編程。15.2電路原理與設計15.2.1 15.2.1 傳感器模型的建立傳感器模型的建立熱電偶是把溫度轉化為電勢大小的熱電式傳感器。表熱電偶是把溫度轉化為電勢大小的熱電式傳感器。表1 15-15-1為為K K型熱電偶的分度表，這是在冷端溫度為型熱電偶的分度表，這是在冷端溫度為00時測時測定的數值。對大量數據進行分析，可得熱電偶的數學

3、定的數值。對大量數據進行分析，可得熱電偶的數學模型如下：模型如下： 式中：式中：t tR R表示測量溫度；表示測量溫度；t tAMRAMR表示測溫參考點。表示測溫參考點。 41/(15 1)outRAMRVVCtt15.2電路原理與設計 表表 15-1 K15-1 K型熱電偶的分度表型熱電偶的分度表15.2電路原理與設計根據上式在根據上式在MultisimMultisim中建立熱電偶的仿真模型如圖中建立熱電偶的仿真模型如圖15-115-1所示。所示。 圖圖15-1 15-1 熱電偶模型熱電偶模型以上模型只是對熱電偶性能的一個近似，是線性的，而實以上模型只是對熱電偶性能的一個近似，是線性的，而實

4、際熱電偶的具有一定的非線性。際熱電偶的具有一定的非線性。（a a）熱電偶示意圖）熱電偶示意圖（b b）冷端溫度為）冷端溫度為00時的模型時的模型（c c）冷端溫度為）冷端溫度為室溫時的模型室溫時的模型圖圖15-2 15-2 電橋補償電橋補償15.2.2 15.2.2 溫度補償電路的設計溫度補償電路的設計若用熱電偶測量溫度時，熱電偶的工作端（熱端）若用熱電偶測量溫度時，熱電偶的工作端（熱端）被放置在待測溫場中，而自由端（冷端）通常被放在被放置在待測溫場中，而自由端（冷端）通常被放在00的環(huán)境中。若冷端溫度不是的環(huán)境中。若冷端溫度不是00，則會產生測量誤，則會產生測量誤差，此時要進行冷端補償。差，

5、此時要進行冷端補償。本設計的冷端補償采用電橋補償，如圖本設計的冷端補償采用電橋補償，如圖15-215-2所示。所示。15.2電路原理與設計 三極管基極與集電極相連，相當于一個負溫度系三極管基極與集電極相連，相當于一個負溫度系數的數的PNPN結。三極管可選用結。三極管可選用90139013，由于，由于MultisimMultisim器件器件庫中沒有，選用三極管庫中沒有，選用三極管2N22222N2222代替。代替。電橋中電橋中R R3 3的值應和的值應和R R4 4的值相等，調節(jié)滑動變阻器的值相等，調節(jié)滑動變阻器使上面的左右兩橋臂的總電阻值也相等，才能使使上面的左右兩橋臂的總電阻值也相等，才能使

6、電橋平衡。調整電橋上下兩臂的電阻的比值，可電橋平衡。調整電橋上下兩臂的電阻的比值，可調節(jié)輸出電壓的大小，即補償電壓的大小，合理調節(jié)輸出電壓的大小，即補償電壓的大小，合理選擇這個比值，可使補償電路的電壓正好等于熱選擇這個比值，可使補償電路的電壓正好等于熱電偶自由端溫度上升而降低的電壓值，從而起到電偶自由端溫度上升而降低的電壓值，從而起到電壓補償的作用。電壓補償的作用。圖12-2（a）框圖面板及函數模板15.2電路原理與設計15.2電路原理與設計注意：電橋調零時，應使三極管注意：電橋調零時，應使三極管2N22222N2222的參數測的參數測量溫度為量溫度為0 0攝氏度，即此時自由端溫度為攝氏度，即

7、此時自由端溫度為0 0攝氏度，攝氏度，不用進行溫度補償。不用進行溫度補償。補償電路的輸出端接補償電路的輸出端接HB/SCHB/SC連接器，將該電路全連接器，將該電路全部選中，鼠標右鍵點擊該電路然后選擇用子電路部選中，鼠標右鍵點擊該電路然后選擇用子電路替換，將該子電路的名稱設為替換，將該子電路的名稱設為K K，子電路模塊的兩，子電路模塊的兩輸出端分別為補償電路的正負輸出端。輸出端分別為補償電路的正負輸出端。 圖12-2（b）前面板及控件模板15.2電路原理與設計15.2.3 15.2.3 放大電路設計放大電路設計放大電路部分與放大電路部分與13.2.313.2.3節(jié)的金屬應變片放大電路相節(jié)的金屬

8、應變片放大電路相似，由儀用放大和比例放大環(huán)節(jié)組成，如圖似，由儀用放大和比例放大環(huán)節(jié)組成，如圖15-315-3所所示，其中示，其中R RW1W1可調節(jié)儀用放大器的放大倍數，可調節(jié)儀用放大器的放大倍數，R RW2W2用于電路調零。電路設計好后，要進行電橋、比用于電路調零。電路設計好后，要進行電橋、比例放大的調零和增益的調整。例放大的調零和增益的調整。15.2電路原理與設計 圖圖15-3 15-3 電路設計電路設計15.2電路原理與設計15.2.4 15.2.4 直流穩(wěn)壓源設計直流穩(wěn)壓源設計電路中的供電電源都采用電路中的供電電源都采用15V15V直流電源直接供電，直流電源直接供電，實際應用中需要設計

9、直流穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)交實際應用中需要設計直流穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)交- -直流直流的轉換，以及穩(wěn)定供電電壓。直流穩(wěn)壓電源電路的轉換，以及穩(wěn)定供電電壓。直流穩(wěn)壓電源電路如圖如圖15-415-4所示。所示。 圖圖15-4 15-4 直流穩(wěn)壓源電路直流穩(wěn)壓源電路15.2電路原理與設計圖12-3 修飾子模塊 15.2.5 15.2.5 綜合電路仿真綜合電路仿真綜合電路如圖綜合電路如圖15-315-3所示，下面我們主要來對各子所示，下面我們主要來對各子電路模塊進行仿真分析。電路模塊進行仿真分析。1 1）熱電偶及熱電偶補償子電路分析）熱電偶及熱電偶補償子電路分析 在圖在圖15-215-2的電橋補償電路中，對三極管的

10、電橋補償電路中，對三極管2N22222N2222進進行溫度參數掃描分析，掃描參數設為行溫度參數掃描分析，掃描參數設為temptemp（溫（溫度），從度），從0033每隔每隔11掃描一個值。輸出電壓掃描一個值。輸出電壓值為三極管的集電極與發(fā)射極電壓之差，掃描的值為三極管的集電極與發(fā)射極電壓之差，掃描的分析是瞬態(tài)分析。分析的結果如圖分析是瞬態(tài)分析。分析的結果如圖15-515-5所示，溫所示，溫度每增加度每增加11，三極管兩端電壓下降約，三極管兩端電壓下降約2mV2mV。15.2電路原理與設計圖圖15-5 PN15-5 PN結負溫度特性結負溫度特性15.2電路原理與設計補償電橋電路應首先調零，調零的

11、方法是首先雙補償電橋電路應首先調零，調零的方法是首先雙擊三極管，打開如圖擊三極管，打開如圖15-615-6所示的屬性設置對話框，所示的屬性設置對話框，單擊單擊“Edit Model”Edit Model”按鈕，可打開元件模型編輯窗按鈕，可打開元件模型編輯窗口，如圖口，如圖15-715-7所示，將參數測量溫度設為所示，將參數測量溫度設為00，然，然后調節(jié)滑動變阻器后調節(jié)滑動變阻器RWRW，使電橋兩輸出端，使電橋兩輸出端1212盒盒IO2IO2之間的電壓近似為之間的電壓近似為0 0。當自由端溫度（即環(huán)境溫。當自由端溫度（即環(huán)境溫度）為度）為2525時，將模擬環(huán)境溫度的時，將模擬環(huán)境溫度的V1V1的

12、值設為的值設為2525V V，將三極管的參數測量溫度設為，將三極管的參數測量溫度設為2525，然后對，然后對電路進行參數掃描分析，其設置如圖電路進行參數掃描分析，其設置如圖15-815-8所示。所示。 圖12-4 圖標編輯15.2電路原理與設計圖圖15-6 15-6 三極管三極管2N22222N2222屬性設置對話框屬性設置對話框圖圖15-7 15-7 元件模型編輯窗口元件模型編輯窗口15.2電路原理與設計圖12-7 連接器和顯示器件關聯(lián)（a a）分析參數設置）分析參數設置（b b）輸出端設置）輸出端設置圖圖15-8 15-8 參數掃描設置參數掃描設置15.2電路原理與設計選擇模擬溫度變化的電

13、壓源作為掃描對象，在選擇模擬溫度變化的電壓源作為掃描對象，在0V0V到到100V100V的范圍內，每隔的范圍內，每隔10V10V掃描一次，設置掃描直掃描一次，設置掃描直流工作點，輸出變量選擇子電路的兩輸出端之差，流工作點，輸出變量選擇子電路的兩輸出端之差，如圖如圖15-815-8（b b）所示。掃描結果如圖）所示。掃描結果如圖15-915-9所示，將該所示，將該仿真數據與表仿真數據與表15-115-1的的K K型熱電偶分度表進行比較，型熱電偶分度表進行比較，可知經補償后，在表可知經補償后，在表15-115-1所列的各溫度下，子電路所列的各溫度下，子電路總的輸出電壓和分度表中的值基本相符?？偟妮?/p>

14、出電壓和分度表中的值基本相符。注意：因仿真中所用的仿真模型只是對熱電偶的近注意：因仿真中所用的仿真模型只是對熱電偶的近似，所以在自由端溫度為似，所以在自由端溫度為0 0攝氏度的情況下，熱電攝氏度的情況下，熱電偶模型的輸出電壓值就有誤差，而補償電橋的設計偶模型的輸出電壓值就有誤差，而補償電橋的設計只是保證只是保證0 0攝氏度時仿真電橋電路的輸出為攝氏度時仿真電橋電路的輸出為0 0，所以，所以仿真子電路輸出的電壓值和仿真子電路輸出的電壓值和K K型熱電偶分度表的相型熱電偶分度表的相應值會有一定誤差。應值會有一定誤差。 15.2電路原理與設計 圖圖15-9 15-9 參數掃描分析結果參數掃描分析結果

15、15.2電路原理與設計2 2）直流穩(wěn)壓源子電路分析）直流穩(wěn)壓源子電路分析 下面對這個電路進行如下仿真：下面對這個電路進行如下仿真： 橋式整流輸出電壓：橋式整流輸出電壓： 整流橋輸出接負載后，用示波器觀察波形如圖整流橋輸出接負載后，用示波器觀察波形如圖15-1015-10所示。所示。正弦波經整流后輸出單一方向的波動。正弦波經整流后輸出單一方向的波動。圖圖15-10 15-10 整流橋輸出整流橋輸出15.2電路原理與設計 濾波后輸出電壓濾波后輸出電壓 整流橋后接濾波器，輸出接電阻后電路輸出波形如圖整流橋后接濾波器，輸出接電阻后電路輸出波形如圖15-115-11 1所示。由圖可以看到，交流成分減小，

16、但仍然存在小的所示。由圖可以看到，交流成分減小，但仍然存在小的波動。波動。圖圖15-11 15-11 濾波后輸出濾波后輸出15.2電路原理與設計 接三端穩(wěn)壓后輸出接三端穩(wěn)壓后輸出 接三端穩(wěn)壓后，正端接負載后輸出電壓如圖接三端穩(wěn)壓后，正端接負載后輸出電壓如圖15-1215-12所示。輸所示。輸出電壓基本穩(wěn)定。出電壓基本穩(wěn)定。圖圖15-12 15-12 穩(wěn)壓源輸出穩(wěn)壓源輸出15.2電路原理與設計 電壓調整率電壓調整率 輸入輸入220V220V交流電，變化范圍為交流電，變化范圍為15%15%20%20%，所以電壓波動范，所以電壓波動范圍為圍為176V176V253V253V。在額定輸入電壓下，當輸出

17、滿載時，調整輸出。在額定輸入電壓下，當輸出滿載時，調整輸出電阻，使電流約為最大輸出電流，即電阻，使電流約為最大輸出電流，即0.1A0.1A，得滿載時電阻為，得滿載時電阻為138138。當輸入電壓為當輸入電壓為176V176V、負載為、負載為138138時，輸出電壓時，輸出電壓U1U1為為14.832V14.832V；當；當輸入電壓為輸入電壓為220V220V、負載為、負載為138138時，輸出電壓時，輸出電壓U0U0為為14.839V14.839V；當輸；當輸入電壓為入電壓為253V253V，負載為，負載為138138時，輸出電壓時，輸出電壓U2U2為為14.842V14.842V。取取U U

18、為為U1U1和和U2U2中相對中相對U0U0變化較大的值，則變化較大的值，則U=14.832U=14.832，所以電壓調，所以電壓調整率：整率：0014.832 14.8390.007100%100%100% 0.05%14.83914.839vU USU15.2電路原理與設計 電流調整率電流調整率 設輸入信號為額定設輸入信號為額定220V220V交流電，當輸出滿載（交流電，當輸出滿載（138138）時，）時，輸出電壓輸出電壓U0U0為為14.839V14.839V；當輸出空載時，輸出電壓；當輸出空載時，輸出電壓U U為為15.2615.26V V；當輸出為；當輸出為50%50%滿載時，輸出電

19、壓滿載時，輸出電壓U0U0為為14.9814.98所以電壓調所以電壓調整率：整率： 紋波電壓：紋波電壓： 在額定在額定220V220V輸入電壓下，輸出滿載，即負載電阻為輸入電壓下，輸出滿載，即負載電阻為138138時，時，在示波器中觀察輸出波形，如圖在示波器中觀察輸出波形，如圖15-1315-13所示。因只選擇了觀所示。因只選擇了觀察交流成分，所以所觀察到的信號即紋波電壓信號，其峰察交流成分，所以所觀察到的信號即紋波電壓信號，其峰峰值為峰值為2.143nV2.143nV。0015.26 14.980.28100%100%100% 1.9%14.9814.98IU USU15.2電路原理與設計圖

20、圖15-13 15-13 波紋電壓示意圖波紋電壓示意圖15.2電路原理與設計 輸出抗干擾電路分析輸出抗干擾電路分析 圖圖15-14(a)15-14(a)為未加抗干擾電路前系統(tǒng)的幅頻響應圖，可以看為未加抗干擾電路前系統(tǒng)的幅頻響應圖，可以看到交流成分的幅值很小。當輸出加了抗干擾電路后，輸出到交流成分的幅值很小。當輸出加了抗干擾電路后，輸出的幅頻響應如圖的幅頻響應如圖15-14(b)15-14(b)所示，可以看到高頻噪聲得到一所示，可以看到高頻噪聲得到一定程度的抑制。定程度的抑制。(a)(b)圖圖15-14 15-14 抗干擾電路交流分析抗干擾電路交流分析15.2電路原理與設計 電路分析完成后，對電

21、路進行仿真得到實驗結果電路分析完成后，對電路進行仿真得到實驗結果如表如表15-215-2所示。所示。 表表15-2 15-2 實驗數據實驗數據15.3 LabVIEW虛擬儀器設計15.3.1 15.3.1 數據顯示子程序設計數據顯示子程序設計 將上節(jié)中表將上節(jié)中表15-215-2的數據經的數據經MATLABMATLAB多項式擬和后，多項式擬和后， 得下式：得下式： （15-215-2） 反解得到反解得到: : （15-315-3）30.78970.049210TU10000.04920.7897UT15.3 LabVIEW虛擬儀器設計從開始菜單中運行從開始菜單中運行“National Inst

22、ruments National Instruments LabVIELabVIE- -W 8.2”W 8.2”， 在在Getting StartedGetting Started窗口左邊的窗口左邊的FilesFiles控件里，控件里，選擇選擇Blank VIBlank VI建立一個新程序。建立一個新程序。框圖程序的繪制：框圖程序的繪制： 設計的子程序框圖如圖設計的子程序框圖如圖15-1515-15所示。本設計關于數所示。本設計關于數據的轉換采用第三種方法設計程序框圖，用這種據的轉換采用第三種方法設計程序框圖，用這種方法設計的子程序在接口電路設計時不用考慮數方法設計的子程序在接口電路設計時不用

23、考慮數據轉換。由設計據轉換。由設計2 2的方法想到利用的方法想到利用For LoopFor Loop進行兩進行兩次自動索引，便可以使數據變?yōu)閱蝹€值顯示，這次自動索引，便可以使數據變?yōu)閱蝹€值顯示，這里省去了矩陣索引函數。需要注意的是，后面的里省去了矩陣索引函數。需要注意的是，后面的數據通道不能設為自動索引，否則輸出將不再是數據通道不能設為自動索引，否則輸出將不再是單個數值。單個數值。 15.3 LabVIEW虛擬儀器設計圖圖15-15 15-15 程序框圖程序框圖15.3 LabVIEW虛擬儀器設計 圖中圖中U U0 0為時域信號采集器，它將電壓的波形提為時域信號采集器，它將電壓的波形提取出來，

24、再將連續(xù)電壓值作為取出來，再將連續(xù)電壓值作為VIVI的輸入。時域信的輸入。時域信號的采集器由控制模板號的采集器由控制模板I/OI/O模塊里的波形函數經矩模塊里的波形函數經矩陣化而成。連續(xù)的電壓波形在外層陣化而成。連續(xù)的電壓波形在外層ForFor循環(huán)內必須循環(huán)內必須加一個波形元素提取模塊把加一個波形元素提取模塊把Y Y值提取出來，否則數值提取出來，否則數據在里層據在里層ForFor循環(huán)中不能利用自動索引，達不到數循環(huán)中不能利用自動索引，達不到數據轉換的目的。根據式據轉換的目的。根據式15-315-3在里層在里層ForFor循環(huán)中用常循環(huán)中用常數和運算函數構建程序框圖，輸出包括電壓數顯數和運算函數

25、構建程序框圖，輸出包括電壓數顯和溫度計。和溫度計。15.3 LabVIEW虛擬儀器設計定義圖標與連接器定義圖標與連接器雙擊右上角圖標進行編輯后，用鼠標右鍵單擊前雙擊右上角圖標進行編輯后，用鼠標右鍵單擊前面板窗口中的圖標窗格，在快捷菜單中選擇面板窗口中的圖標窗格，在快捷菜單中選擇Show Show ConnectorConnector，定義連接。，定義連接。建立前面板上的控件和連接器窗口的端子關聯(lián)。建立前面板上的控件和連接器窗口的端子關聯(lián)。連接器輸入只有一個，與時域波形采集器相關聯(lián)，連接器輸入只有一個，與時域波形采集器相關聯(lián)，輸出有兩個，分別與電壓數顯模塊和溫度計相關輸出有兩個，分別與電壓數顯模

26、塊和溫度計相關聯(lián)。完成上述工作后，將設計好的聯(lián)。完成上述工作后，將設計好的VIVI保存。下次保存。下次調用該調用該VIVI時，圖標與端口如圖時，圖標與端口如圖15-1615-16所示。所示。圖圖15-16 15-16 子子VIVI圖標圖標15.3 LabVIEW虛擬儀器設計15.3.2 15.3.2 接口電路的設計與編譯接口電路的設計與編譯子程序設計好后，需要設計接口電路。本設計中接子程序設計好后，需要設計接口電路。本設計中接口電路的設計與編譯分以下幾步：口電路的設計與編譯分以下幾步：把把MultisimMultisim安裝目錄下安裝目錄下SamplingSamplingLabVIEWLabV

27、IEW Instrum-Instrum-entsentsTemplatesInputTemplatesInput文件夾拷貝到另外一個地文件夾拷貝到另外一個地方。方。在在LabVIEWLabVIEW 中打開步驟中所拷貝的中打開步驟中所拷貝的StarterInputIn-StarterInputIn-strumentstrument . .lvprojlvproj工程，如圖工程，如圖15-1715-17。接口電路的設計。接口電路的設計是在是在Starter Input Starter Input Instrument.vitInstrument.vit中進行。中進行。15.3 LabVIEW虛擬儀

28、器設計圖圖15-17 15-17 StarterInputInstrumentStarterInputInstrument . .lvprojlvproj工程圖工程圖15.3 LabVIEW虛擬儀器設計打開打開Starter Input Starter Input Instrument.vitInstrument.vit的框圖面板，完成接的框圖面板，完成接口框圖的設計。在數據處理部分，選擇口框圖的設計。在數據處理部分，選擇CASECASE結構結構下拉菜單中的下拉菜單中的Update DATAUpdate DATA選項進行修改。按框圖選項進行修改。按框圖中的說明，在結構框中右鍵選擇中的說明，在結

29、構框中右鍵選擇Select a VISelect a VI，把在，把在L L- -abVIEWabVIEW完成的子完成的子VIVI添加在添加在Update DATAUpdate DATA框中即可?？蛑屑纯?。此時只能添加功能，不可修改框圖面板的原狀，此時只能添加功能，不可修改框圖面板的原狀，如圖如圖15-1815-18所示。由于數據的轉換在子所示。由于數據的轉換在子VIVI的設計中的設計中已經實現(xiàn)，所以子已經實現(xiàn)，所以子VIVI的輸入直接與的輸入直接與MultisimMultisim的輸出的輸出數據相連即可。為子數據相連即可。為子VIVI的輸出創(chuàng)建指示器，并設的輸出創(chuàng)建指示器，并設置室溫置室溫T

30、0T0為為2525?？驁D面板設計好后，在前面板中?？驁D面板設計好后，在前面板中還需進一步地調整，并用控制模板下的修飾（還需進一步地調整，并用控制模板下的修飾（DecDecorationsorations）子模板對界面進行美化。最后保存修改，）子模板對界面進行美化。最后保存修改，并重命名為并重命名為proj3.vitproj3.vit。 圖圖15-18 15-18 數據處理部分框圖數據處理部分框圖15.3 LabVIEW虛擬儀器設計15.3 LabVIEW虛擬儀器設計 注意虛擬儀器信息的設置也可在注意虛擬儀器信息的設置也可在Instrument Instrument TemplTempl- -a

31、teate下下proj3.vitproj3.vit的程序框圖里設計，如圖的程序框圖里設計，如圖15-1915-19所示。所示。打開打開MultisimMultisim InstrInstr Info Info子程序設置各項，在儀器子程序設置各項，在儀器IDID中和顯示名稱中填入唯一的標識，同時把輸入端中和顯示名稱中填入唯一的標識，同時把輸入端口數設為口數設為1 1，因為只有一個電壓輸入；把輸出端口，因為只有一個電壓輸入；把輸出端口設為設為0 0，此模塊不需要向，此模塊不需要向MultisimMultisim輸出。修改后選輸出。修改后選另存為后把它重命名為另存為后把它重命名為proj3_mult

32、isimInformation.viproj3_multisimInformation.vi。保存后查看工程文件保存后查看工程文件StarterInputInstrument.lvprojStarterInputInstrument.lvproj下下的的SubVIsSubVIs，它下面的子程序已被修改。，它下面的子程序已被修改。 15.3 LabVIEW虛擬儀器設計 圖圖15-19 ID15-19 ID號號A A置的另一種方法置的另一種方法15.3 LabVIEW虛擬儀器設計打開打開Build SpecificationsBuild Specifications，右鍵點擊，右鍵點擊Source Source DistributiDistributi- -onon，選擇屬性設置，在保存目錄和支持目錄中，選擇屬性設置，在保存目錄和支持目錄中