熱電偶和熱電阻的區(qū)別及設(shè)計(jì)方案

　　熱電偶與熱電阻均屬于溫度測(cè)量中的接觸式測(cè)溫，盡管其作用相同都是測(cè)量物體的溫度，但是他們的原理與特點(diǎn)卻不盡相同。

　　首先，介紹一下熱電偶，熱電偶是溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的溫度器件，他的主要特點(diǎn)就是測(cè)吻范圍寬，性能比較穩(wěn)定，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，更能夠遠(yuǎn)傳4-20mA電信號(hào)，便于自動(dòng)控制和集中控制。熱電偶的測(cè)溫原理是基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，又稱為塞貝克效應(yīng)。閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)有兩種電勢(shì)組成;溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。溫差電勢(shì)是指同一導(dǎo)體的兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)，不同的導(dǎo)體具有不同的電子密度，所以他們產(chǎn)生的電勢(shì)也不相同，而接觸電勢(shì)顧名思義就是指兩種不同的導(dǎo)體相接觸時(shí)，因?yàn)樗麄兊碾娮用芏炔煌援a(chǎn)生一定的電子擴(kuò)散，當(dāng)他們達(dá)到一定的平衡后所形成的電勢(shì)，接觸電勢(shì)的大小取決于兩種不同導(dǎo)體的材料性質(zhì)以及他們接觸點(diǎn)的溫度。目前國際上應(yīng)用的熱電偶具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，國際上規(guī)定熱電偶分為八個(gè)不同的分度，分別為B，R，S，K，N，E，J和T，其測(cè)量溫度的最低可測(cè)零下270攝氏度，最高可達(dá)1800攝氏度，其中B，R，S屬于鉑系列的熱電偶，由于鉑屬于貴重金屬，所以他們又被稱為貴金屬熱電偶而剩下的幾個(gè)則稱為廉價(jià)金屬熱電偶。熱電偶的結(jié)構(gòu)有兩種，普通型和鎧裝型。普通性熱電偶一般由熱電極，絕緣管，保護(hù)套管和接線盒等部分組成，而鎧裝型熱電偶則是將熱電偶絲，絕緣材料和金屬保護(hù)套管三者組合裝配后，經(jīng)過拉伸加工而成的一種堅(jiān)實(shí)的組合體。但是熱電偶的電信號(hào)卻需要一種特殊的導(dǎo)線來進(jìn)行傳遞，這種導(dǎo)線我們稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。不同的熱電偶需要不同的補(bǔ)償導(dǎo)線，其主要作用就是與熱電偶連接，使熱電偶的參比端遠(yuǎn)離電源，從而使參比端溫度穩(wěn)定。補(bǔ)償導(dǎo)線又分為補(bǔ)償型和延長(zhǎng)型兩種，延長(zhǎng)導(dǎo)線的化學(xué)成分與被補(bǔ)償?shù)臒犭娕枷嗤菍?shí)際中，延長(zhǎng)型的導(dǎo)線也并不是用和熱電偶相同材質(zhì)的金屬，一般采用和熱電偶具有相同電子密度的導(dǎo)線代替。補(bǔ)償導(dǎo)線的與熱電偶的連線一般都是很明了，熱電偶的正極連接補(bǔ)償導(dǎo)線的紅色線，而負(fù)極則連接剩下的顏色。一般的補(bǔ)償導(dǎo)線的材質(zhì)大部分都采用銅鎳合金。

　　其次我們介紹一下熱電阻，熱電阻雖然在工業(yè)中應(yīng)用也比較廣泛，但是由于他的測(cè)溫范圍使他的應(yīng)用受到了一定的限制，熱電阻的測(cè)溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。其優(yōu)點(diǎn)也很多，也可以遠(yuǎn)傳電信號(hào)，靈敏度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，互換性以及準(zhǔn)確性都比較好，但是需要電源激勵(lì)，不能夠瞬時(shí)測(cè)量溫度的變化。工業(yè)用熱電阻一般采用 Pt100，Pt10，Cu50，Cu100，鉑熱電阻的測(cè)溫的范圍一般為零下200-800攝氏度，銅熱電阻為零下40到140攝氏度。熱電阻和熱電偶一樣的區(qū)分類型，但是他卻不需要補(bǔ)償導(dǎo)線，而且比熱點(diǎn)偶便宜。

　　以下是一款14位4-20mA 環(huán)路供電型熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖，該電路是一完整的環(huán)路供電型熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)，使用精密模擬微控制器的PWM 功能控制4 mA 至20 mA 輸出電流。具有更高分辨率的 PWM 驅(qū)動(dòng)4mA 至 20mA 環(huán)路的優(yōu)勢(shì)，支持溫度范圍為?200° C 至+350° C 的 T 型熱電偶。

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　圖1所示電路是一款完整的環(huán)路供電型熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)，使用精密模擬微控 制器的 PWM 功能控制4 mA 至20 mA 輸出電流。

　　圖1. ADuCM360控制4 mA 至20 mA 基于環(huán)路的溫度監(jiān)控電路

　　電路原理：本 電路將絕大部分電路功能都集成在精密模擬微控制器 ADuCM360上，包括雙通 道24位Σ -Δ 型 ADC、 ARM Cortex ?-M3處理器內(nèi)核以及用于控制環(huán)路電壓高達(dá)28 V 的4 mA 至 20 mA 環(huán)路的 PWM/DAC 特性，提供一種低成本溫度監(jiān)控解決方案。 其中， ADuCM360連接到一個(gè) T 型熱電偶和一個(gè)100Ω 鉑電阻溫度檢測(cè)器(RTD)。 RTD 用于冷結(jié)補(bǔ)償。 低功耗 Cortex-M3 內(nèi)核將 ADC 讀數(shù)轉(zhuǎn)換為溫度值。 支持的 T 型熱電偶溫度范圍是?200° C 至+350° C，而此溫度范圍是4mA 至20mA。 本電路具有以更高分辨率的 PWM 驅(qū)動(dòng)4mA 至20mA 環(huán)路的優(yōu)勢(shì)。 基于 PWM 的輸出提 供14位分辨率。電路采用線性穩(wěn)壓器ADP1720 供電，可將環(huán)路加電源調(diào)節(jié)至 3.3 V，為 ADuCM360、運(yùn)算放大器 OP193和可選基準(zhǔn)電壓源 ADR3412提供電源。

　　下文分析了測(cè)溫系統(tǒng)中恒流源信號(hào)調(diào)理模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能電路的工作原理和設(shè)計(jì)依據(jù)，并給出電路參數(shù)。溫度是化工生產(chǎn)過程的四大參數(shù)之一，溫度傳感器Pt100具有體積小準(zhǔn)確度高穩(wěn)定性好等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于650℃以下的溫度測(cè)量。

　　Pt100測(cè)溫系統(tǒng)以C8051F410片上系統(tǒng)為控制核心，系統(tǒng)的原理框圖，如圖1 所示.包括C8051F410片上系統(tǒng)恒流源驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)采集電路信號(hào)調(diào)理電路顯示電路按鍵電路以及電源電路7個(gè)組成部分。

　　恒流源驅(qū)動(dòng)溫度傳感器Pt100，將電阻信號(hào)(80.31～280.98 ) 轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)( 0.08～0.28V) ， 在經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成0～2. 2V之間的電壓信號(hào)，C8051F410片上系統(tǒng)內(nèi)部A/D對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)Pt100分度表及采樣電壓與電阻的關(guān)系，通過軟件處理最終獲得精 確的被測(cè)溫度值，在將其對(duì)應(yīng)的數(shù)字量送入顯示電路進(jìn)行顯示。

　　硬件電路設(shè)計(jì)

　　C8051F410片上系統(tǒng)基本外圍接口

　　C8051F410片上系統(tǒng)是本測(cè)溫系統(tǒng)的控制核心. 其基本外圍接口電路是保證系統(tǒng)正常工作的輔助電路，包括C8051F410片上系統(tǒng)工作所需要的JATG接口電源退耦基準(zhǔn)濾波上電復(fù)位等基本外圍電路，如圖2所示。

　　圖2 C8051F410基本外圍電路

　　恒流源電路

　　恒流源驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)溫度傳感器Pt100，將其感知的隨溫度變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)R-V轉(zhuǎn)換. 恒流源電路由運(yùn)算放大器OP07 基準(zhǔn)電壓源電阻和三極管組成，為避免激勵(lì)電流產(chǎn)生的熱量影響測(cè)量精度，設(shè)計(jì)恒流源的大小為1mA. 具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示. VZ1是一個(gè)2.5V的穩(wěn)壓管，即U1-U3=2.5V; 根據(jù)運(yùn)放的虛短原則，運(yùn)算放大器OP07的同相端電壓和反相端電壓值相等，即U2=U3; 因此，電阻R31兩端的電壓U1-U2=2.5V; 可以計(jì)算出流經(jīng)R31的電流為2. 5V/2. 5K =1mA. 根據(jù)運(yùn)放虛斷原理，可知，流過R31的電流將幾乎全部流入復(fù)合管而不流入運(yùn)放的反向端，則由復(fù)合管集電極輸出電流為1mA，實(shí)現(xiàn)了高精度恒流源的設(shè)計(jì)。

　　圖3 恒流源電路

　　設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)： 由LM336提供一個(gè)精密2.5V電壓基準(zhǔn); R31是穩(wěn)定性好的精密線繞電阻; 由兩片9012組成復(fù)合管使電流放大系數(shù) 值增大，溫漂系數(shù)減小，恒流值穩(wěn)定。