热电偶断线检测方法

摘要:热电偶作为温度测量仪表中常用的测温元件，具有测温精度高、结构简单、动态响应速度快，测温范围较宽等优点，在火电以及化工行业得到了大量的应用。就其工作原理以及如何设计基于国产ADC芯片的热电偶测量模件断线检测功能进行了详细的分析，具体方法为通过微处理器、比较器和模拟开关芯片，利用电压基准源，在无恒流源的情况下能够高效地实现现场热电偶信号输人回路的断线检测，既能简化电路缩减硬件成本，又能适配国产化热电偶测量模件，极大地保证了整个控制系统的安全性及可靠性。
0引言
　　温度测量技术的应用广泛，利用各种热电现象是温度测量的重要方式。基于测量设备和被测介质之间存在的接触性质，温度测量技术可分为接触式、半接触式和非接触式3类。
　　热电偶作为温度测量仪表中常用的测温元件，将温度信号转换成热电动势信号，最终通过采集系统转换成被测介质的温度反馈给上位机系统。热电偶测温因其具有以下优点:①测温精度高;②结构简单，便于维护;③动态响应速度快;④测温范围较宽;⑤信号可以远传，便于集中检测和自动控制，在火电以及化工行业得到了大量的应用。
1热电偶测温基本原理
　　热电偶测温的基本原理是基于热电效应原理，即通过两种不同类型的金属导体进行连接，使其得以形成统一的回路。若所连接的结点处温度不同，则在相应的测量回路.中产生一定的电动势能，进而形成电流，也就发生了热效应。
　　例如A，B两种导体，一端通过焊接形成结点，为工作端，位于待测介质;另一端接测温仪表，为参考端。由于热电效应在测温回路中形成的热电动势为EAB(T1,T0)，可以表示为:A、B两种导体组成的热电偶，工作端温度为T1，参考端温度为TO,形成的热电动势为EAB(T1，T0)。
　　热电偶测温，归根结底是测量热电偶两端的热电动势,再根据一定的比例关系将热电动势转换成了所对应的温度。
1.1热电偶基本种类
　　近一个世纪以来，热电偶的种类多达几百种，应用较广的有几十种，而电工推荐的工业用标准热电偶为8种(目前中国国家标准已与国际标准统一)。分别是:铂铑10-铂(分度号为S)、镍铬-镍硅(K)、铂铑13-铂(R)、铂铑30-铂铑6(B)、铁-康铜(J)、镍铬-康铜(E)、铜-康铜(T)和镍铬硅一镍硅(N)[3]。这8种标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
1.2热电偶冷端温度补偿
　　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(环境)温度变化，将会严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿称为热电偶的冷端补偿，常见的冷端补偿方法有以下3种:
1)补偿导线法是用一对与所使用的热电偶具有相同热电特性的廉价金属，作为连接导线来连接热电偶冷端和指示器。热电偶产生的热电势与回路中间温度无关，所以回路总的热电势等于热电偶热端温度为T，冷端温度为T0时的热电势。这样，利用补偿导线，无论热电偶的实际冷端温度如何变化，消除了误差，完成了冷端温度补偿。
2)冰浴法是利用冰水混合物能在较长时间内保持在0℃不变的特性，将热电偶冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，来保证冷端温度为0℃的。但是由于长时间工作，冰也难免会融化，所以这种方法在实验室使用较多.
3)仪表机械零点调整法:当热电偶与仪表配套使用时,若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求又不太高时，可将仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的温度t0处，这相当于在输人热电偶的热电势前就给仪表输人一个热电势E(t0,0℃),这样仪表最终所指示的值约为E(tO,0℃)+E(t,t0)。
2热电偶测量模件的断线检测功能现状
　　热电偶测温模件是基于热电偶测温原理所设计的测温模块，工业上一般采用补偿导线法进行冷端补偿以保证其测量精度。其次，为了保证热电偶的正常工作，需要对每个信号输人通道进行断线检测，以判断当前测量值是否正确。断线检测功能直接影响了温度测量值的品质，对整个控制系统的可靠性与稳定性至关重要，着重分析热电偶信号的断线检测功能。
　　热电偶信号不同于传统的模拟量信号(4mA~20mA信号)，传统的模拟量信号的断线检测可以通过测量值超出临界值去判断，而热电偶信号存在零电势差的情况故其断线检测功能的设计具有一定的难度。
目前市面上已有两种主流方法:一是采用热电偶断线内阻无穷大的原理，对每个通道增加独立的断线检测器件，这将会增加很多的器件成本;另一种方法是通过集成在ADC芯片里的恒流源发出激励电流去流过现场的热电偶，再流过被测电阻到大地的方式。如果通道断线，则电流不能形成回路，电流不能流经被测电阻，最终通过去比较被测电阻上的电压与已有的电压基准来判断是否断线。
　　下面将结合实例对此方法进行详细介绍，如图1所示，一种多通道热电偶信号输人回路断线检测电路，包括热电偶输入信号多通道复用电路、断线检测电路和微处理器;热电偶输人信号多通道复用电路包括多个输人通道电路,其主要作用是利用微处理器发出命令将热电偶输人信号接人测量回路中。
 
　　将选取其中一个通道对其断线检测电路进行重点介绍，具体包括模拟开关、恒流源、恒压源和电压比较器;模拟开关分别与微处理器、模拟量输人信号多通道复用电路连接;恒压源与电压比较器的反相端连接;电压比较器的同相端与模拟开关连接;电压比较器与微处理器连接。
　　设置IN1Select为低电平，低电平选通第一通道，设置模拟开关U1的输人信号为高电平，电阻R1、R2分别为100KΩ、200KΩ，进口ADC芯片发出激励电流，并把恒流源设置输出为10uA电流信号，恒压源输出其值为1.18V。当输人通道电路1连接正常时，此时恒流源的电流从IN1+流出，从IN1-返回并流过电阻R1、R2，计算得电压比较器U2同相端的电压为2V，大于反相端电压，故输出高电平;当输人通道电路1断线时，电压比较器U2同相端的电压为0V,故输出低电平，微处理器U3邇过电平的高低来判断当前输人通道电路1是否存在断线。检测完成后，设置IN1Select为高电平关闭输人通道电路1的检测，设置IN2Select为低电平继续进行输人通道电路2的断线检测，过程同输人通道电路1类似。
　　这种方法因其比较快速方便，成为了目前市面上的主流做法，但是其利用了进口ADC芯片里的恒流源，而目前市面上国产ADC芯片大多没有集成恒流源，所以这种方法在国产化控制系统中具有一定的局限性。
　　针对现有技术中的不足，提出了一种方法，具体为一种热电偶信号输人回路的断线检测电路，能够实现热电偶信号输入回路的断线检测功能，具有电路结构简单，检测器件少，不需要配置恒流源等特点，这种方法能够适配基于国产ADC芯片的热电偶测量模件。
3基于国产ADC芯片的热电偶断线检测电路的设计
　　该方法具体表现为一种热电偶信号输人回路的断线检测电路的设计，如图2所示，包括微处理器、比较器U1、比较器U2和模拟开关芯片，被测热电偶信号的正端通过分压电阻与模拟开关芯片连接，模拟开关芯片与比较器U2连接，比较器U2通过隔离模块与微处理器连接;被测热电偶信号的负端分别与模数转换器芯片、比较器U1连接;比较器U1与电压基准源连接。
 
　　本方法通过微处理器、比较器U1、比较器U2和模拟开关芯片，利用电压基准源，在无恒流源的情况下能够高效地实现现场热电偶信号输人回路的断线检测。接下来本文将详细对该断线检测电路进行分析处理，介绍该方法是如何实现断线检测功能。
4案例电路分析
　　如图2所示，热电偶信号在正常采集模式时流程如下:微处理器发出sclect1信号，模拟开关芯片的管脚al与b1导通，被测热电偶信号输人到模数转换器芯片的输入端，由模数转换器芯片采集数据并传给微处理器。
　　当热电偶信号进行断线检测模式时，流程如下:微处理器发出sclect2信号，模拟开关芯片的管脚a2与b2导通，通过比较比较器U2两个输人端的电压来判断是否断线，如图1所示，比较器U2的负输人端的电压值是固定的，由电阻R3与电阻R4分压决定。而比较器U2的正输人端的电压则是由现场热电偶信号是否断线所决定的，当现场热电偶信号断线时，等效电路如图3所示，U2的正输人端的电压即测点1的电压，由电阻R1与电阻R2分压决定;当现场热电偶信号非断线时，等效电路如图4所示，比较器U2的正输人端的电压即测点1的电压，由电阻R1、电阻R2、电阻R5以及热电偶内阻决定。
 
以下通过实例对断线检测电路进行分析。
设定电压基准为2.5V，R1=R2=1.2KΩ,R3=5.6KΩ,R4=7.5KΩ，R5=0.475KΩ，上文已经分析了比较器U2的负输入端即测点2的电压值是固定值为:(2.5/(R3+R4))xR4=1.43V。
1)当现场热电偶信号断线时，等效电路如图3所示，比较器U2的正输人端的电压即测点1的电压值为:(2.5/(R1+R2))xR2=1.25V,比较器U2的正输人端的电压1.25V小于U2的负输人端即测点2的电压143V,所以比较器U2输出低电平信号，表示回路处于断线状态。
2)当现场热电偶信号非断线时,等效电路如图4所示，比较器U2的正输人端的电压即测点1的电压值。由于热电偶的内阻R通常很小，一般不超过100Ω,所以U2的正输人端的电压不低于1.88V，大于U2的负输人端即测点2的电压1.43V，所以U2输出高电平信号,表示回路没有断线。
结论
　　热电偶测温模件的工作原理，并对其断线检测功能进行了详细的分析，提供的实现方法即通过微处理器、比较器和模拟开关芯片，利用电压基准源,在无恒流源的情况下，能够高效地实现现场热电偶信号输人回路的断线检测，既能简化电路缩减硬件成本，又能适配国产化热电偶测量模件，极大地保证了整个控制系统的安全性及可靠性。