热电偶测温电路设计与仿真

摘要:K型热电偶测量中高温度。随着温度的变化,K型热电偶输出电压变化量为几十微伏，利用运算放大器对热电偶输出的电压放大,并且补偿运算放大器的输入失调电压。LM35对热电偶测温电路的冷端进行温度补偿。Proteus软件对测温电路进行仿真,结果表明电路设计简便,测温精度高。
0引言
      热电偶是一种常用的测温器件,具有测量精度高、测温范围广(温度范围为-200℃~1600℃)、性能稳定、结构简单,直接将温度转换成电压的特性,尤其在工业测温领域中占有重要地位[1,2。本文使用K型热电偶测量0~500℃的温度,通过测量电路对热电偶产生的电压信号进行处理,并且利用Proteus软件对于整个测温电路进行设计和仿真。
1热电偶测温电路的结构

      如图1所示，整个测温电路由K型热电偶温度传感器、冷端温度补偿电路、电压放大电路及其失调电压补偿电路等四部分组成。温度传感器使用热电势相对较大、适用于测量中高温度的K型热电偶。当热电偶的冷端温度不为零时，使用LM35集成温度传感器补偿冷端温度的偏差电压。运算放大器0P07对热电偶产生的热电势进行放大，并对0P07自身固有的输入失调电压的误差进行补偿、调零。
2热电偶测温原理[3]
      热电偶由两种不同的金属A和B构成。当A和B两个接触点温度不同时，闭合回路中产生热电势。在实际工程中,根据热电偶回路产生的热电势大小，查热电偶的分度表(温度与热电势之间的关系表),获得被测的热端温度。当热电偶的冷端温度不为零时，可以采用冷端温度补偿法,利用修正后的热电势查分度表获得被测的热端温度。冷端温度补偿表达式为

      式中，E_AB(t,0)为热电偶的热端温度和冷端温度分别为t，0°C的热电势，E_AB(t,tn)为热电偶的热端温度和冷端温度分别为t，tn的热电势，E_AB(tn,0)为热电偶的热端温度和冷端温度分别为tn,0°C的热电势。
3测温电路
3.1冷端温度补偿电路
      LM35集成温度传感器是一种电压输出型温度传感器,可用于热电偶测温电路的冷端温度补偿。在-50℃~150℃温度范围内，LM35温度传感器输出的电压与摄氏温度是--种线性关系，温度每变化1'C,输出电压变化量为10mV左右。.由K型热电偶的分度表可知,温度每变化1C,热电偶输出电压变化量为40μV左右[5。当二者的温度变化量都为1℃时，LM35温度传感器和K型热电偶输出的电压变化量不相等,即灵敏度不相等。如图2所示，在LM35输出端串联R1、RV1、R2,使得LM35的灵敏度为40μV/℃,实现与K型热电偶相同的灵敏度。当热电偶测温电路的冷端温度不为零时,通过调节滑动变阻器RV1,使tn点的电压补偿热电偶冷端温度不为零的电压。

3.2电压放大电路
3.2.1运算放大器的选型
      随着温度的变化，热电偶产生的热电势变化量很小,为了正确测量温度,必须使用运算放大器把小信号放大到--定幅度或者满足一定分辨率。在进行电压放大的时候,需要考虑运算放大器的输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流、温漂系数低等运算放大器的参数。

      如表1所示，对常用的运算放大器的主要特性进行比较。其中,输入失调电压是一个非常重要的参数。当放大器的输入电压为零时,实际输出的电压不为零,这个输出电压称为失调电压。当输入的有用信号电压较小时,普通运算放大器的输入失调电压较大，运算放大电路就无法分辨出输入的信号是有用的电压信号还是运算放大器的失调电压.由K型热电偶分度表可知，输出电压的变化量随着温度的变化很小其值为40μV/℃左右。因此,综合考虑选择输入失调电压、失调电流、输入偏置电流、温漂系数低都尽量小以及性价比高的运算放大器0P07.
3.2.2失调电压补偿的放大电路
      如果输入失调电压过大,那么会影响运算放大器的精度,甚至使运算放大器不能正常工作。因此，将运算放大器的一个输入端电压为零,在运算放大器的另一个输入端外加可调节的电压，使得运算放大器的输出电压为零或接近于零，可以补偿运算放大器的输入失调电压。如图3所示，在同相放大电路中，0P07的反相输入端接-一个可调电位器RV215,.1,可调电位器通过一-个电阻R6、R3、R4接到0P07的反相输入端。输入失调电压补偿范围的表达式为
 

4仿真结果

      Proteus软件能够对电路设计、单片机控制、传感器检测等进行仿真.将图2和图3的电路结合在一起，在Proteus仿真环境下绘制K型热电偶的测温电路。使用LM35温度传感器作为冷端温度补偿的仿真数据如表2所示,冷端温度补偿电压的最大误差约为10μV。由测温电路输出的电压值计算出热电偶的产生的热电势,查表得出被测温度的仿真数据如表3所示,在0~500℃温度范围内，测量电路获得的温度与实际被测温度的误差约为1℃左右。
5结束语
      本文设计的K型热电偶测温电路重点说明热电偶冷端温度补偿、运算放大器的失调电压补偿的方法，Proteus仿真结果表明这种电路测量温度误差小。并且,利用Proteus仿真温度传感器测温能够替代实际电路，有效降低设计成本。