基于数字式温度传感器的温度检测仪 第3页
图4-2 热电偶闭合回路的电势分布示意图
经整理后推导可得
（4-4）
由式4-4可知，热电偶总电势与电子密度及两接触点温度有关。电子密度不仅取决于热电偶材料特性，而且随温度的变化而变化，它们并非常数。所以，当热电偶材料一定时，热电偶的总电势EAB(T，T0)成为温度T和T0的函数差，即
（4-5）
如果能使冷端温度T0固定，即f(T0)=C(常数)，则对确定的热电偶材料，其总电势EAB(T，T0)就只与热端温度呈单值函数关系，即
（4-6）
这种特性称为热电偶的热电特性，可通过实验方法求得。由此可见，当保持热电偶冷端温度T0不变时，只要用仪表测得热电势EAB（T，T0），就可求得被测温度。
4.1.3 热电偶的分类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓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。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的侧量，这里主要介绍标准热电偶。目前国际上规定了以下8种标准热电偶:S型、R型、B型、K型、N型、T型、E型和J型。我国从1988年1月1日起，热电偶全部按IEC国际标准生产，并指定S, B,E, K, R, J, T七种标准热电偶为我国统一设计型热电偶。铂铑10-铂热电偶（S型）和铂铑30-铂铑6（B型）虽然具有准确度高，稳定性好，测温温区宽，寿命长等优点，但由于铂铑为贵金属材料，所以其价格昂贵，不适合本设计选用。镍铬-铜镍热电偶（E型）和镍铬-镍硅热电偶（K型）具有线性度好，热电势较大，灵敏度高，稳定性和复现性较好，抗氧化性强，价格便宜等优点，非常适合本设计的需求。综合性能以及成本的考虑，本设计选用K型热电偶。
4.2 测量放大电路
本设计采用的是K型热电偶，设计想要达到的测温范围为0℃至200℃。在冷端温度为0℃，热端温度为0℃至200℃时，所对应产生的热电势为0mv至8.137mv，其每摄氏度温差所对应的热电势为0.05mv至0.12mv。而本设计采用的A/D转换器为8位，其满量程为+5V，所以只能实现0至5V范围内的A/D转换，转换分辨率为5/256=19.53125mv。必须将此热电势信号进行放大，才能交由A/D转换器处理。
4.2.1放大器的选型
能用于进行数学运算的放大器称运算放大器，简称运放。运放是进行信号模拟处理的基本组件之一。
常用的运放器有美国AD公司的AD521、AD522，B-B公司的INA101系列、INA102系列和INA104系列以及Linear Technology公司的LTC1052等。其中Linear Technology公司的LTC1052专为应用于热电偶放大器、应力放大器、小信号处理和医疗仪器上而设计，具有精度高、稳定性好、功耗低等优点，所以本设计选其使用。
LTC1052放大器该放大器引脚图如图4-3所示，其主要性能参数如下:
最大失调电压:5μV
最大失调电压漂移:0.05μV/℃
失调电压漂移:0.01μV/℃
长期稳定性:100nV/Mon
最大输入偏置电流:30pA +
全工作温度范围 -
最小增益:120dB 图4-3 LTC1052引脚图
最小KCMR: 120dB
最小PSRR: 120dB
可单电源供电:4.75～12V
2、3引脚为输入端，6引脚为输出端，7端接+5V电源、4端接地，1、5端接内部电容。
4.2.2热电偶测量放大电路
在检测技术场合，传感器的输出信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等规模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。
图4-4 测量放大电路
图4.4为用LTC1052组成的测量放大器，图中A1、A2、A3都为LTC1052。这种电路的特点是性能完善，一般需要两个以上的运放组成，只要运放性能对称，（主要指输入阻抗和电压增益对称），其漂移将大大减少，具有高输入阻抗和高共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，因而十分适宜与与传感器配合使用。本放大电路属于精密放大电路，这种电路不仅要求放大电路误差小、稳定性好，而且希望抗干扰性能好、噪声小。为此，利用A1、A2、A3组成共模抑制比很高的三运放差动放大电路。在测量时，将热电偶的冷端补偿线A＇和B＇分别插入测量电路上V1、V2孔上，V1、V2为输入，Vo为输出。从图4.3电路结构可知，由运放A1、A2组成前级同向并联差动放大器，A3构成后级放大电路。
分析可知：
（4-7）
（4-8）
（4-9）
其增益为：
（4-10）
由K型热电偶的分度表可知，热电偶热端在200℃时（参考端为0℃），热电势为8.137mv。而A/D转换器的输入电压范围为0至5V。为了满足A/D转换器输入电压范围的需要，经计算，此电路增益应约为550。在电阻阻值的选择上，主要根据式4-9来选择，达到放大增益为550的要求。考虑电阻的搭配问题，本设计的放大电路采用的电阻中，R取10KΩ，Rf取500KΩ，Rf1、Rf2都取50KΩ，Rw取10KΩ。将阻值代入式4-9可知，当热电偶参考端为0℃，热端温度在0至200℃范围内时经过此放大电路处理后的热电势约为0至4.475V，满足A/D转换器0至5V的输入电压要求。 满足此设计的测温范围为0至200℃的需求。
4.2.3 热电偶冷端温度的补偿
用热电偶测温时，热电势的大小决定于冷热端温度之差。如果冷端温度固定不变，则决定于热端温度。如冷端温度是变化的，将会引起测量误差。为此，要采用一定的措施来消除冷端温度变化所产生的影响。常用的方法有：1.补偿导线法；2.热电偶冷端温度恒温法；3.计算修正法。一般工业上运用得较多的方法就是补偿导线法。所谓补偿导线实际上是把一定温度范围内与热电偶具有相同热电特性的两种较长的金属线与热电偶配接。其功能主要有两点：1.实现冷端迁移；2.降低电路成本。本设计就是采用此方法来达到冷端温度的补偿。采用的补偿导线的型号为KC，其正极为KPC（铜），负极为KNC(铜镍)，绝缘层着色分别为红色和蓝色。此方法不用外加电路，而且简单可靠，成本低，非常实用。在使用过程中，要注意以下问题：1.补偿导线只能用在规定的温度范围内；2.热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；3.不同型号的热电偶配不同的补偿导线；4.补偿导线正、负极需分别与热电偶的正、负极相连。本设计严格按照其要求进行操作。
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