基于热电偶的温度测量信号调理电路

　　温度测量在工业控制领域中占有重要地位。根据温度测量方式不同,温度传感器可分成非接触式与接触式两大类,测量方法主要有热电阻测量、热电偶测量等。采用热电偶作为敏感元进行接触式测量尤为广泛,本系统采用K型热电偶。
　　由于热电偶输出电压相当小(几十毫伏),若直接转换为数字信号则信号有可能被系统本身的纹波所淹没,因此必须进行调理即将待测信号通过放大、滤波等操作。温度调理电路采用单电源、电源限仪表放大器AD623并配以二阶压控电压源低通滤波电路，经过一级放大、二阶低通滤波兼二级放大后输出的电压值满足AD转换器的输人范围,符合温度测量精度佳、稳定性好的要求。
1热电偶测量原理
　　热电偶测温是根据热电偶输出电势与温度成一定关系的原理,通过测量热电偶的输出电势实现对温度的测量(见图1),输出热电势与温度的对应关系以热电偶的分度表形式给出。
 
　　其中,k---波尔兹曼常数,1.38x10^-6;NA、NB---金属A、B的自由电子密度;e---电子电荷数。
　　用热电偶1]作为敏感元进行电路设计时需用到以下基本法则:
(1)热电动势反映的是热电偶冷、热端的温度差,而不是被测端的绝对温度,故测量端的实际温度应该是被测值与参考端温度值相加，在测量时应预先获知参考端的实际温度。
(2)若有第三种金属接人到该回路中时，保证第三种金属的两接触端温度相同,则回路中总的热电势保持不变。利用这个法则,可方便地在回路中直接接人测量导线而不会影响测量精度。
(3)热电偶冷端温度保持不变时,热电偶的热电动势是热端温度的单值函数。热电偶的电信号传输时需要导线(补偿导线),不同材料型号的热电偶所需的补偿导线不同。补偿导线的作用是与热电偶连接时可使冷端远离热源,保证冷端温度稳定。
2调理电路的设计
2.1电压信号一级放大电路设计
　　该电压放大电路采用仪表放大器AD623l21,其既可单电源供电，也可双电源供电,该设计中采用单电源供电。AD623可以通过改变增益可调电阻(管脚1与8之间所接电阻)实现增益编程,以满足不同用户的使用要求。增益电阻悬空条件下,AD623被强制配置为单位增益;连接增益电阻后,AD623内部编程设置增益,其增益值最高为1000。AD623增益编程电阻计算公式为:
RG=100kΩ/(G-1)(2)
　　图2为温度信号调理原理图。导弹发射试验中所测温度为0~1300℃,查询K型分度表其在这个温度范围内产生的热电势约为0~52.41mV,增益电阻选择4.7kΩ,增益为22.3倍。
 
2.2二阶压控电压源低通滤波电路设计
　　该设计要求截止频率为0.625kHz,等效品质因数Q=0.707。
　　由图2知:该滤波电路的传递函数为:
 
　　该滤波电路Aup应小于1+(R1C2+R2C2)/R1C1,否则传递函数分母中s的一次项系数将为负,滤波电路不能正常工作,取C1=C2,R2=R3,则Aup<3即R4<2R5。取Q=0.707,ƒ0=0.625kHz,则C1=C2==0.1μF,R2=R3=2.49kΩ,R5=30kN,R4=51kΩ。取.上述参数情况下该滤波电路能起到很好的滤波效果,同时对温度信号进行二次放大Aup=1.588倍,输出电压为0~2.382V,满足AD转换器的电压输人范围。该电路设计中,应该注意以下问题:
(1)5管脚Vrer提供0.33V电压用来应对导弹发射恶劣环境中负温度的情况。
(2)二阶压控电压源低通滤波电路(4]中，电阻电容的选择原则如下:电容容值不宜过大(C<1μF);所有电阻都需采用精密电阻。
2.3电压跟随电路设计
　　因前级电路输出阻抗较高,若后级电路的输人阻抗小，信号就有相当一部分损耗在前级的输出电路中,这就需采用电压跟随电路进行缓冲、达到阻抗匹配。
3试验结果分析
　　测试二阶低通滤波电路时,不改变输人信号峰峰值而改变其频率,表1为试验中测量的不同频率下的输出值。
 
　　由表1可知:当ƒ=0.67kHz时,输出信号幅值为满量程的0.707倍,滤波后的波形比.较平滑且截止频率与实际接近。图3为导弹发射过程中尾罩底部燃气温度变化趋势,导弹出筒后至尾罩分离前温度最高为686℃,出现时刻为56.738s。
 
4结束语
　　由于热电偶输出电压极小，需将其通过放大、滤波等调理,设计的温度调理电路经过AD623将温度信号放大、二阶低通滤波电路滤波后可以应用到精度高的温度测量系统中。