热电偶与微机的接口技术

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：热电动势的大小仅与其材料的性质及两端的温度有关。常用的冷端温度补偿器有：WPRB-11、12、13分别配用分度号为LB、EU、EA热电偶，使用时需外接4V直流电源，其外形尺寸及接线见图5-14。热电偶测出的信号是以mV为单位显示的。这个信号很容易经A-D转换器变成数字信号，与微机接口，完成控制功能。

热电偶就是将两种不同的金属或半导体组成一个闭合回路，当两端（冷端和热端）温度不同时，就会在回路中产生热电动势。如果将冷端打开并用导线将其与测量电动势的仪表连接起来，电动势的大小就根据一定的数学关系就能表示热端温度的高低，见图5-11和图5-12。热电动势的大小仅与其材料的性质及两端的温度有关。常用的热电偶按其材料区分，有铂铑－铂、镍铬－镍硅、镍铬－考铜、铂铑₃₀－铂铑₆、铜－康铜五种；按其结构区分，有普通、铠装、薄膜三种。

图5-11 热电偶工作原理示意图

1－接点为热端 2－接点为冷端

图5-12 热电偶电路中接入显示仪表简图

热电偶测温时，只有冷端温度保持恒定（一般是0℃），其热电动势才是热端（测量端）温度的单值函数，根据国际温标，不同的热电偶都有温度－绝对毫伏值对照表，请查阅相关资料。冷端温度恒定一般采用电桥补偿法和冷端延长法。

（1）不平衡电桥冷端补偿器冷端补偿器是根据不平衡电桥原理设计的，其工作原理见图5-13。R₁、R₂、R₃均用电阻温度系数很小的锰铜电阻作为该电桥的固定桥臂。R₄为具有一定电阻温度系数的铜线绕制的电阻，随着周围温度的变化，该电阻值亦将按一定规律变化。冷端补偿器由4V直流电源供电，电阻R为串联在电源回路里的降压电阻，也是配用不同分度号的热电偶时作为调整补偿电动势的电阻。

图5-13 冷端补偿器工作原理

1－冷端温度补偿器 2－热电偶 3－显示仪表 4－整流电源

当冷端温度为制造厂规定值时（一般为0℃或20℃），该桥路处于平衡状态，即R₁＝R₂＝R₃＝R₄。因此c、d两端将没有电位差产生。随着冷端温度的升高或降低，在热端温度不变的情况下，热电偶的电动势将减小或增大。同时，R₄的阻值亦将因冷端温度的变化而增大或减小，使电桥处于不平衡状态，c点电位低于或高于d点，而使c、d点间产生电位差。此电位差的大小和正负方向，视该型号热电偶冷端温度偏离规定值的大小和高低而异（其大小与所需补偿的热电动势值相等；冷端温度较规定值高时为正，低时为负），因而使热电偶冷端温度变化时所产生的热电动势误差能自动地得到补偿，使显示仪表指示值不受热电偶冷端温度变化的影响。为了使补偿器很好地工作，应把它安装在环境温度为0～40℃的地方。

常用的冷端温度补偿器有：WPRB-11、12、13（企业型号为WBC-57）分别配用分度号为LB、EU、EA热电偶，使用时需外接4V直流电源，其外形尺寸及接线见图5-14。WPRB_-10、20、30（企业型号为WBC-01、02、03）分别配用分度号为LB、EU、EA热电偶，它们内部附有3V直流稳压电源装置，外接220V交流电源，其外形尺寸及接线见图5-15。常用冷端温度补偿器的相关数据见表5-6。

图5-14 WBC-57型冷端温度补偿器的外形尺寸及接线

图5-15 WBC-01～03型冷端温度补偿器的外形尺寸及接线

表5-6 常用冷端温度补偿器

（2）冷端延长法实际用热电偶测温时，有的是被测点与显示仪表之间有较长的距离；有的是被测点的温度较高、热容量大，使周围较大范围内受该热源影响较大，这就需要将热电偶冷端送到较远的地点去。因而，热电偶的有效长度需要加长，但热电偶材料贵又不宜做得过长。为此，工业上通常采用冷端延长线的方法。

图5-16是冷端延长线方法示意图。该方法中热电极长度设加长，加长（配接）的部分是另外两根不同金属的、价格便宜的长导线P和Q，称冷端补偿导线。实质P和Q也构成一个热电偶，要求它的热电特性在一定温度范围内（通常指0～100℃）与原热电偶的热电特性相同或相近。这样的两根导线才适合将原热电偶的冷端送到较远的地点去，使冷端的温度相对地变化较小。

图5-16 冷端延长线法示意图

当然，冷端延长法既不能使冷端温度恒为0℃，也不能对回路内的热电动势起到温度补偿作用。要想消除或补偿由于热电偶冷端温度变化引起的误差，还得用前面介绍的0℃恒温法、计算修正法或电桥补偿法等。用冷端延长法只是使冷端温度相对地稳定和变化范围小而已，所以，通称延长线为补偿导线是名不副实的。正因此，可以把图5-16a中的热电偶和延长线看成统一的热电偶，只是每根热电极由两部分材料组成，高温差t和t_n部分由热电偶A和B测量；低温差t_n和t₀部分由热电偶P和Q测量。即，用廉价的低温热电偶代替昂贵的高温热电偶去感受高温测量中低温部分的温差。图5-16b就是从温度场角度看两个热电偶串接测量的示意图。

工业上制成了专用的延长线（补偿导线），并将各种热电偶所配的延长线加上不同颜色以示区别，见表5-7。

表5-7 延长线（补偿导线）色别及热电特性

热电偶实际的测温线路可分单点测量和多点测量两种，接线见图5-17和图5-18。

热电偶测出的信号是以mV为单位显示的。这个信号很容易经A-D转换器变成数字信号，与微机接口，完成控制功能。

热电偶与微机的接口技术

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