热电偶传感器测量电路设计

太原理工大学现代科技学院

《传感器原理与应用》课程设计

设计名称 热电偶传感器测量电路设计 专业班级 学 号 姓 名 同 组 人

设计日期 2015年1月

太原理工大学现代科技学院

课程设计任务书

专业班级 设计名称 学生姓名 课程名称 设计周数 传感器原理与应用 K型热电偶传感器测量电路设计 1.5周 设计 任务 主要 设计 1、温度测量范围：-100～500℃； 2、使用环境温度范围：0～85℃； 3、输出电压：0～500℃为0～5V； 4、测温误差：≤±0.5％； 参数 设计内容 设计要求 设计测量温度范围在(-100~500℃)的热电偶； 参数计算； 测量电路设计。 [1] 童诗白主编.《模拟电子技术基础》(第三版)·高教出版社.2001 主要参考 资 料 [2] 杨素行主编.《模拟电子线路基础简明教程》杨素行(第二版)·高教出版社.1998 [3] 潘雪涛 温秀兰等著传感器原理与检测技术 国防工业出版社2013.1 学生提交 按任务书要求进行课程设计，并撰写课程设计说明书。 归档文件 注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺

序进行装订上交（大张图纸不必装订）

2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。

基于K型热电偶传感器测量电路设计

摘要

热电偶是一种热电型的温度传感器，它将温度信号转换成电势(mV)信号，

配以测量信号的仪表或变换器，便可以实现温度的测量和温度信号的转换热。电偶是接触法测温常用的传感器之一。自1821年塞贝克发现热电效应起，热电偶的发展已经历了一个多世纪，据统计，在此期间曾有300余种热电偶问世，但应用较广的热电偶仅有四、五十种，国际电工委员会(IEC)对其中被国际公认、性能优良和产量最大的七种 制定标准，即IEC584--1和684—2中所规定的。S分度号 (铂铑 一铂)；B分度号（铂铑 一铂铑 )；K分度号( 镍铬一镍硅)；T分度号（铜一康铜)；E分度号(镍铬一康铜);J分度号(铁一康铜);R分度号(铂铑 一铂) 等热电偶。

利用K型热电偶传感器测量电路设计测量电路由K型热电偶传感器，零点补偿和放大电路，乘法运算电路，反相放大器1，反相加法器1和反相加法器2，反相放大器2等主电路组成；电路能够实现零点补偿和非线性校正功能。输出分为两路：一路是0～500℃对应的输出电压为0～5V；另一路是-100～0℃对应的输出电压为-1～0V。

关键词:热电偶温度传感器,热电偶测温,集成温度传感器。

目录

一.热电偶的工作原理 ...................................................... - 1 - 二 、设计题目要求与分析 .................................................. - 1 -

1.设计题目: ........................................................ - 1 - 2.设计分析与要求: .................................................... - 1 - 3、本课题中测量电路组成框图如下所示： ................................ - 2 - 4、基于K型热电偶传感器测量电路设计的工作原理 ........................ - 2 - 三、课程设计报告内容要求及技术指标 ....................................... - 2 - 四、电子电路设计的一般方法 ............................................... - 2 - 五、基于K型热电偶传感器测量电路设计简介 ................................. - 3 -

5.1K型热电偶的简介 .................................................. - 3 - 5.2 K型热电偶概述 ................................................... - 3 - 5.3 K型热电偶特点 ................................................... - 4 - 六、电路设计总方案 ....................................................... - 4 -

6.1 电路设计原理框图 ................................................. - 4 - 6.2 电路设计方案设计 ................................................. - 4 - 七、各部分电路设计 ....................................................... - 7 -

7.1反相放大器 ....................................................... - 7 - 7.2反相加法器 ....................................................... - 8 - 7.3零点补偿及放大电路 ............................................... - 8 - 7.4非线性校正电路 ................................................... - 9 - 7.5 总电路图 ........................................................ - 11 - 八、心得体会 ............................................................ - 12 - 参考文献................................................................ - 12 - 附录 ................................................................... - 13 -

1.4 K型热电偶分度表 ................................................ - 13 -

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一.热电偶的工作原理

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合。

热电偶大多具有以下优点：

(1)热电偶通常是由2种不同的金属丝组成。而且不受大小和开头的，外有保护套管，结构简单，制造方便，使用起来非常方便。

(2)测温精确度较高，反应速度快，直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，高温区的复现性和稳定性很好。

(3)由于测温显示电信号，便于信号的远传和记录，也有利于集中检测和控制。

(4)热电偶体积小，热容量及热惯性均小。能用来测量点的温度和壁面温度， 也能用来进行动态温度测量。

(5)品种规格多，测温范围广，在-27O℃到2800℃范围内有相应产品可供选用。

二 、设计题目要求与分析 1、设计题目:

K型热电偶传感器测量电路设计

2、设计分析与要求:

(1)、设计热电偶传感器温度范围在(-100~500℃)。

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3、本课题中测量电路组成框图如下所示：

测量电路组成框图

K型热电偶的电极材料是镍铬—镍硅，其精度等级为0.75级时，温度为-100℃~500℃，其测量温度误差为±0.75%。采用恰当的线性化处理后，可将精度提高到±0.1%~±0.2%。具有零点补偿功能。

4、基于K型热电偶传感器测量电路设计的工作原理

本课题中测量电路由K型热电偶传感器，零点补偿和放大电路，乘法运算电路，反相放大器；电路能够实现零点补偿和非线性校正功能。输出是-100～500℃对应的输出电压为-1～5V.

三、课程设计报告内容要求及技术指标

1、温度测量范围：-100～500℃； 2、使用环境温度范围：0～85℃； 3、输出电压：0～500℃为0～5V； 4、测温误差：≤±0.5％； 5、总方案的确定并画出原理框图；

6、各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性(结合设计图写) ； 7、总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）； 8、体会；

四、电子电路设计的一般方法：

1、仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提

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取相关和最有价值的信息、方法。 （1）设计总体方案。

（2）设计单元电路、选择传感器、测量电路元器件、根据需要调整总体方案。 （3）计算电路（元件）参数。 （4）绘制总体电路初稿。 （5）绘制总体电路。

五、基于K型热电偶传感器测量电路设计简介 5.1K型热电偶的简介

K型热电偶的电极材料是镍铬—镍硅，其精度等级为0.75级时，温度为-100~500℃，其测量温度误差为±0.75%。采用恰当的线性化处理后，可将精度提高到±0.1%~±0.2%。具有零点补偿功能。基于我们选用了K型热电偶传感器测量电路设计测量温度在(-100℃~500℃)范围内所以利用如下几个重要公式,电偶的输出热电动势Vi.公式Vo=249.952Vi,非线性校正电路,热电偶的热电动势Vi与温度t不成线性关系，可用下式表示：

Vi=a0+a1t+a2t2+…+antn

热电偶温度传感器的参考公式如下:

(5-2)

62V(745.20.772808V13.13510Va) (5-3) oa

其后可用叠加定理得到如下式子:

5.2 K型热电偶概述

K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和

电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。 镍铬-偶(K型热电偶)是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1.2~4.0mm。

正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=92：12，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=99：3，其使用温度为-200~1300℃。 K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。 K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛。

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5.3 K型热电偶特点

检出(测)元件热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。必须配二次仪

表，其优点是：

①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 ②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的，外有保护套管，用起来非常方便。

根据温度测量范围及精度，选用相应分度号的热电偶、使用温度

1300~1800℃，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800℃一般选用钨铼热电偶；使用温度在

1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400℃一般用E型热电偶；250℃下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。

六、电路设计总方案 6.1 电路设计原理框图

图1

测量电路由K型热电偶传感器，零点补偿和放大电路，乘法运算电路，反相放大器1，反相加法器1和反相加法器2，反相放大器2等主电路组成；电路能够实现零点补偿和非线性校正功能。输出分为两路：一路是0～500℃对应的输出电压为0～5V；另一路是-100～0℃对应的输出电压为-1～0V。

6.2 电路设计方案设计

零点补偿、放大和非线性校正电路。

(1)零点补偿及放大电路。该电路由美国模拟器件公司新近生产的K型热电

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偶专用集成芯片AD595组成。热电偶或通过补偿导线插入CN插座的+IN和－IN即可。由AD595完成零点补偿和放大任务，其输出与输入的关系如下式：

Vo=249.952Vi

式中，Vi是热电偶的输出热电动势。

此外，AD595还具有热电偶断偶报警功能。热电偶断线时，由12脚输出报警信号，晶体管VT导通，发光二极管点燃。

(2)非线性校正电路 热电偶的热电动势Vi与温度t不成线性关系，可用下式表示：

Vi=a0+a1t+a2t2+…+antn (6-1)

式中，a0为零点输出；a1为灵敏度；a2，a3，…，an为非线性项系数。 a0，a1，a2，a3，…，an可由最小二乘法或计算机程序求出。K型热电偶的高阶多项式(2-1)，测量温度在(0~500℃)的范围内如下图(2-2), 测量温度在(0~100℃)的范围内如下图(2-3),经计算可用下式表示：

(6-2)

62V(745.20.772808V13.13510Va) (6-3) oa

非线性校正的关键是如何通过电路的运算实现式(5-2)和式(5-3)。它可由平方器和加法器来完成。

由图1可见，AD538AD组成了乘除器，它有三个输入端子Vx、Vy和Vz，且能完成下列运算：

VVozVyVx (6-4)

m式中，m=0.2~5，可通过不同接线取得不同的m值。AD538的B(3脚)和C(12脚)相连，则m=1。由于Vy和Vz的输人为Va，15脚与4脚连接，AD538AD内部基准电压由4脚输出电压10V，故Vx=10V，因此式(6-4)为：

2VVaaVoVa10000mV (6-5) 10V

1从而实现了平方运算。

温度在0~500℃范围时，由A1和A2实现式(6-2)的运算：

由A1和A2完成一次系数1.009534的运算，其中A1是反相输入的放大器，

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A2是反相输入的加法器。A1的输出为Vo1：

R215kVaVaR1Rp114kRp1

V01调整多圈电位器RPl可使Vo1=－1.009534Va。 A2的一条支路R6与R3组成一个系数为(－1)的支路。

R615k1R315k

它将Vo1转换成Vo’=1.009534Va。 R6与R4组成Va的二次系数支路

62R615kVo\"Va'5.5510VaR4270k10000mV

R6与R5组成常系数－11.4的偏置电路，其输出为：

Va2

由叠加定理可得：

上式与式(5-2)大体相同。若R4和R5用多圈电位器可调整到与式(5-2)完全相同。

温度在0~100℃范围内用式(5-3)来线性校正。该式的运算由A3和A4完成，其中A4是放大倍数为－1的反相放大器。其分析方法与式(5-2)相同。0~500℃和0~100℃的输出电压Vo分别为0~5V和-1~0V，灵敏度为10mV／℃。该电压可通过转换开关输入到A／D转换器和进行数字显示。

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A1A2

图2 电路原理图

A3 A4

七、各部分电路设计 7.1反相放大器

图3

反相放大器如图3所示，开环增益

uoR2KfuiR1，即

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R2uouiR1；其中平衡电阻R3= R1 // R2 。

7.2反相加法器

图4

uo反相加法器如图4所示，

RfRfui1ui2R1R2；平衡电阻R=R1//R2//Rf。

7.3零点补偿及放大电路

该电路由美国模拟器件公司新近生产的K型热电偶专用集成芯片AD595组成。热电偶或通过补偿导线插入CN插座的+IN和－IN即可。由AD595完成零点补偿和放大任务，其输出与输入的关系为： Vo=249.952Vi 式中，Vi是热电偶的输出热电动势。

此外，AD595还具有热电偶断偶报警功能。热电偶断线时，由12脚输出报警信号，晶体管VT导通，发光二极管点燃。如图5所示。

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图5零点补偿及放大电路

7.4非线性校正电路

Vi=a0+a1t+a2t2+…+antn

式中，a0为零点输出；a1为灵敏度；a2，a3，…，an为非线性项系数。 a0，a1，a2，a3，…，an可由最小二乘法或计算机程序求出。K型热电偶的高阶多项式(5-1)，测量温度在(0~500℃)的范围内如下图(5-2), 测量温度在(0~100℃)的范围内如下图(5-3),经计算可用下式表示：

(5-2)

热电偶的热电动势Vi与温度t不成线性关系，可用下式表示：

62V(745.20.772808V13.13510Va) (5-3) a o经计算可用下式表示：

非线性校正的关键是如何通过电路的运算实现式(6-2)和式(6-3)。它可由平方器和加法器来完成。

由图6-4可见，AD538AD组成了乘除器，它有三个输入端子Vx、Vy和Vz，且能完成下列运算：

VVozVyVx (6-4)

m式中，m=0.2~5，可通过不同接线取得不同的m值。AD538的B(3脚)和C(12

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脚)相连，则m=1。由于Vy和Vz的输人为Va，15脚与4脚连接，AD538AD内部基准电压由4脚输出电压10V，故Vx=10V，因此式(6-4)为：

2VVaaVoVa10000mV (6-5) 10V

1从而实现了平方运算。

温度在0~600℃范围时，由A1和A2实现式(6-2)的运算：

由A1和A2完成一次系数1.009534的运算，其中A1是反相输入的放大器，A2是反相输入的加法器。A1的输出为Vo1：

Vo1

R210kVaVaR1RP19.4k1k

调整多圈电位器RPl可使Vo1=－1.009534Va。 A2的一条支路R6与R3组成一个系数为(－1)的支路。

R620K1R320K

它将Vo1转换成Vo’=1.009534Va。 R6与R4组成Va的二次系数支路

2RV10k6aVoVa5.55106Va2R4180k10000mV

R6与R5组成常系数－11.4的偏置电路，其输出为：

由叠加定理可得：

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图6 非线性校正电路

7.5 总电路图

图7 总电路图

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八、心得体会

经过一周的课程设计的学习，我已经成功的制作出自己的K型热电偶传感器测量电路，在设计过程中我们也遇到了许多问题。,尤其是在设计问题上我们组员之间意见很大但是通过向老师询问后我们有了很多感悟,明白了如何设计一个热电偶温度传感器，之后虽然我们还会遇到问题但所幸都迎刃而解了。

刚开始我对这个东西一窍不通，于是我借来了一份K型热电偶传感器测量电路原理图准备抄抄了事，但在电脑验证的时候漏洞百出，我就放弃抄袭别人构思的想法，后来到网上搜索了一下相关内容，顺便到学校图书馆借相关书籍，经过和我的搭档的研究和讨论，最终确定了K型热电偶传感器测量电路原理图。

尽管现在只是初步学会了K型热电偶传感器测量电路设计，但课程设计的这段日子还是令我收益匪浅的，还让我明白学过的知识不能扔，这是我们走向职业道路的本钱。

参考文献

[1] 童诗白主编.《模拟电子技术基础》(第三版)·高教出版社.2001

[2] 杨素行主编.《模拟电子线路基础简明教程》杨素行(第二版)·高教出版社.1998 [3] 王成华主编.《电子线路基础教程》.科学出版社.2000

[4] 李万臣主编.《模拟电子技术基础实验与课程设计》(第一版)·哈尔滨工程大学出版社·2001

[5] 孙梅生主编.<<电子技术基础课程设计>>.高教出版社.19 [6] 电子电路百科全书（1.2.3.4.卷）.科学出版社

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附录

1.4 K型热电偶分度表

温度单位：℃ 电压单位：（mV) 参考温度点：0℃(冰点)

ITS-90国际温度标准(JIS C 1602-1995,ASTM E230-1996,IEC 584-1-1995)

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