多點(diǎn)熱電偶精密測試電路_基于CD4051的多點(diǎn)熱電偶轉(zhuǎn)換電路_基于ADOP07的熱電偶的放大電路

　　熱電偶是利用物理學(xué)中的塞貝克效應(yīng)制成的溫敏傳感器，它由兩種不同的導(dǎo)體燒結(jié)而成，電阻幾乎為零，而且輸出的熱電勢極弱，每度僅為徽伏級(jí)，因此給測量帶來一定困難。加上熱電偶本身的非線性因素、外界電場其他干擾等因素就會(huì)增加側(cè)的精確度。

　　為解決上述因素所產(chǎn)生的測量問題，本文介紹了一種由低失調(diào)高精度運(yùn)算放大器ADOP07組成同相并聯(lián)型差動(dòng)放大電路，對(duì)熱電偶進(jìn)行非電測量；選用CD4051芯片構(gòu)成分時(shí)切換電路，以實(shí)現(xiàn)溫度多點(diǎn)測量；采用AD538芯片組成平方運(yùn)算電路，以進(jìn)行溫度線性補(bǔ)償；最后將測數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換器送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用現(xiàn)代模糊控制理論進(jìn)行控制以達(dá)到精密測和控制目的電路系統(tǒng)。

　　電路功能

　　本電路應(yīng)用于一個(gè)高精度的測溫儀器，使受控溫度誤差不超過±0.5℃，其原因是在1s時(shí)間內(nèi)循環(huán)測出各點(diǎn)數(shù)次的溫度值送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)加工處理，應(yīng)用模糊控制理論算出提前控制量進(jìn)行超前控制，從而達(dá)到精密溫度測量和控制加熱裝目的。

　　基于CD4051的多點(diǎn)熱電偶轉(zhuǎn)換電路

　　為使該系統(tǒng)能進(jìn)行多點(diǎn)溫度測量，本文采用分時(shí)控制方法，將送來的控制信號(hào)加到二塊多路轉(zhuǎn)換器CD4051的A0、A1、A2控制端，分別對(duì)Y0，?，Y7進(jìn)行選通控制，在不同的時(shí)間段內(nèi)選通不同的熱電偶，達(dá)到測不同點(diǎn)溫度的目的。熱電偶的熱電勢分別由CD4051的第3腳輸出。如圖所示，圖中TXO~TX7為熱電偶。Co、C′o為輸入濾波電容，因?yàn)闊犭娕嫉臒犭妱莺苄。绻娙萋╇姶?，就?huì)產(chǎn)生漂移電壓，假如Co漏電流為0.1μA，經(jīng)后級(jí)放大1000倍會(huì)產(chǎn)生0.1μA*1000=100μA的漂移電流。因此有必要選用漏電極小的鉭電容。R1、R2、D1、R′1、R′2、D′1為熱電偶斷線保護(hù)（圖中只標(biāo)注了一路其余路皆同）。

　　基于ADOP07的熱電偶的放大電路

　　由于熱電偶的輸出電壓極低，其值為幾十μV/℃，因此設(shè)計(jì)優(yōu)良的放大電路是保證測量精度的先決條件。

　　本文采用3個(gè)組成高輸入阻抗的同相并聯(lián)型差動(dòng)比例放大器，如圖所示。該電路增益調(diào)節(jié)范圍比較寬，而且共模電壓全部加在電阻R95兩端，因而完全不影響輸出電壓，且與R96、R97反饋電阻無關(guān)，推導(dǎo)結(jié)果是放大的共模抑制比：

　　可見，本電路的共模抑制能力主要取決于兩個(gè)運(yùn)算放大器共模抑制比的一致性。因此，選用線性好、低失調(diào)、高精度、低漂移、共模抑制能力強(qiáng)的運(yùn)算放大器ADOP07組成熱電偶的放大電路。通過精心設(shè)計(jì)與調(diào)整，經(jīng)實(shí)測該放大電路線性度已達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，如下表所示。

　　熱電偶的線性化電路

　　由于熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系為非線性關(guān)系，K型熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系曲線在0℃到600℃時(shí)最大非線性誤差為-1%，非線性化特性曲線如圖所示。因此，為保證測量精度就要進(jìn)行線性優(yōu)化。根據(jù)多項(xiàng)式線性化的方法，設(shè)溫度為T，各項(xiàng)系數(shù)為a0，?aN，則熱電偶的熱電勢可表示為：

　　如果獲得高次幕級(jí)數(shù)的函數(shù)，就可構(gòu)成線性電路，只要取到2次冪就可以獲得足夠的精度。一般型熱電偶的熱電勢近似表達(dá)式為：

　　當(dāng)溫度為200℃時(shí)，查出K型熱電偶熱電勢為+8.137mV，根據(jù)式3可算出Vout=200.31mV當(dāng)溫度為400℃時(shí)，熱電勢為+16.395mV，也可算出從Vout=399.68mV。由上述可知，假如200℃對(duì)應(yīng)200.31mV，400℃對(duì)應(yīng)399.68mV，之間只相差0.31mV和0.32mV，可知溫度與輸出電壓有著良好的線性關(guān)系。

　　由上可知，線性化電路的關(guān)鍵是求平方的運(yùn)算，本文選用最適宜進(jìn)行平方運(yùn)算的集成電路芯片AD538，其精度0.5%為且動(dòng)態(tài)范圍寬，片內(nèi)設(shè)有高精度基準(zhǔn)電壓源。有3個(gè)輸入VX（15腳）、VY（10腳）和VZ（2腳）端口可組成Vout=VY（VZ/VX）m的函數(shù)關(guān)系，不用外接元件即可構(gòu)成平方運(yùn)算的電路。

　　線性化電路如圖所示，由AD538和ADOP07及其外圍電阻等構(gòu)成，運(yùn)放U10的外圍電阻R91~R94決定多項(xiàng)式的1次幕系數(shù)和次幕系數(shù)的增益，R135和R138提供式3中的-0.776mV的偏置電壓，經(jīng)精心調(diào)整元器件參數(shù)后，經(jīng)線性化后大為改善，實(shí)測誤差從原來的-1%的非線性誤差降低至0.1~0.2%之內(nèi)，下圖是經(jīng)線性化后的特性曲線。

　　基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度補(bǔ)償電路

　　熱電偶的熱電勢與測溫結(jié)點(diǎn)和基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)（冷結(jié)點(diǎn)）的溫度必須保持恒定，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)的熱電勢為0℃時(shí)的熱電勢，因此基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度不為0℃時(shí)，就要加上相當(dāng)于基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度的等效熱電勢，本文選用較適用于K型熱電偶使用AD592的溫度傳感器來測量基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度，只要對(duì)AD592提供一定的電壓，就可獲得與絕對(duì)溫度成比例的輸出電壓，因AD592的靈敏度為1μA/℃，可對(duì)以25℃為中心，溫度系數(shù)為40.44μV/℃的K型熱電偶基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償因此，當(dāng)環(huán)境溫度為T時(shí)，調(diào)節(jié)差動(dòng)比例放大器U12B中的RW的大小可改變U12B的輸出電壓從而達(dá)到對(duì)溫度的補(bǔ)償，具體電路如圖所示。圖中U12A為跟隨器，以提高對(duì)后級(jí)的驅(qū)動(dòng)能力。

　　A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)接口電路

　　熱電偶放大信號(hào)經(jīng)過以上處理后，輸入到A/D轉(zhuǎn)換集成電路的IN+腳，由MC1403提供+2V的基準(zhǔn)比較電壓給A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行數(shù)模信號(hào)處理并送單片機(jī)W78E58B進(jìn)行控制、顯示、預(yù)等功能，從而完成精密測量，智能化控制一系列過程。
　　為使該系統(tǒng)能進(jìn)行多點(diǎn)溫度測量，本文采用分時(shí)控制方法，將送來的控制信號(hào)加到二塊多路轉(zhuǎn)換器CD4051的A0、A1、A2控制端，分別對(duì)Y0，?，Y7進(jìn)行選通控制，在不同的時(shí)間段內(nèi)選通不同的熱電偶，達(dá)到測不同點(diǎn)溫度的目的。熱電偶的熱電勢分別由CD4051的第3腳輸出。如圖所示，圖中TXO~TX7為熱電偶。Co、C′o為輸入濾波電容，因?yàn)闊犭娕嫉臒犭妱莺苄。绻娙萋╇姶?，就?huì)產(chǎn)生漂移電壓，假如Co漏電流為0.1μA，經(jīng)后級(jí)放大1000倍會(huì)產(chǎn)生0.1μA*1000=100μA的漂移電流。因此有必要選用漏電極小的鉭電容。R1、R2、D1、R′1、R′2、D′1為熱電偶斷線保護(hù)（圖中只標(biāo)注了一路其余路皆同）。