K型热电偶传感器测量电路设计报告

扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告

题目：基于K型热电偶传感器测量电路设计课程：传感器与测控电路课程实习

专业：测控技术与仪器

班级：测控0802

姓名：徐志涛

学号：081302231

总目录第一部分：任务书

第二部分：课程设计报告

第三部分：设计电路图

第一部分

任

务

书

《传感器与测控电路课程实习》课程设计任务书

课题：基于K型热电偶传感器测量电路设计

一个电子产品的设计、制作过程所涉及的知识面很广；加上电子技术的发展异常迅速，新的电子器件的功能在不断提升，新的设计方法不断发展，新的工艺手段层出不穷，它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说，了解并实践一下传感器选择与测控电路的设计、制作的基本过程是很有必要的。由于所涉及的知识面很广，相应的具体内容请参考本文中提示的《传感器原理及应用》，《测控电路》，《模拟电子技术基础实验与课程设计》，《电子技术实验》等书的有关章节。

一、基于K型热电偶传感器测量电路设计简介

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0~1200℃，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。

二、基于K型热电偶传感器测量电路设计的工作原理

本课题中测量电路组成框图如下所示：

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0～600℃对应的输出电压为0～6V；另一路是600～1200℃对应的输出电压为6～12V。

三、设计目的

1、掌握传感器选择的一般设计方法；

2、掌握模拟ＩＣ器件的应用；

3、掌握测量电路的设计方法；

4、培养综合应用所学知识来指导实践的能力。

四、设计要求及技术指标

1、设计、组装、调试；

2、温度测量范围：0～1200℃；

3、使用环境温度范围：0～85℃；

4、输出电压：0～600℃为0～6V；

5、测温误差：≤±0.5％；

6、具有温度补偿功能；

7、具有非线性补偿功能。

五、设计所用仪器及器件

1．直流稳压电源

2．双踪示波器

3．万用表

4．运放AD648，AD595，AD538

5．电阻、电容若干

6．K型热电偶传感器

7．万能电路板

8．电烙铁等

六、日程安排

1．布置任务、查阅资料，方案设计；（2天）

根据设计要求，查阅参考资料，进行方案设计及可行性论证，确定设计方案，画出电路图。

2．上机用EDA软件对设计电路进行模拟仿真调试；（2天）

要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。

3．电路的装配及调试；（3天）

在万能板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，最终通过验收。4．总结撰写课程设计报告。（1天）

七、课程设计报告内容：

总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：

1．课程设计的目和设计的任务

2．课程设计的要求及技术指标

3．总方案的确定并画出原理框图。

4．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)

5．总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）。

6．电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分析解决方法。

7．实验结果分析，改进意见及收获。

8．体会。

八、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）上机在EDB（或EDA）电路实验仿真。

（6）绘制总体电路。

2．明确电路图设计的基本要求进行电路设计。并上机在EDB（或EDA）上进行电路实验仿真，电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件，利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。

3．掌握常用元器件的识别和测试。电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。对于常用元器件，不少手册有所介绍。

4、熟练使用仪表，了解电路调试的基本方法。通过排除电路故障，提高电路性能的过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。

5、独立撰写课程设计报告。

第二部分

课

程

设

计

报

告

目录

1课题简介 (1)

1.1基于K型热电偶传感器测量电路设计简介 (1)

1.2 K型热电偶概述 (1)

1.3 K型热电偶特点 (1)

1.4 K型热电偶分度表 (2)

2设计的目的及任务 (4)

2.1 课程设计的目的 (4)

2.2 课程设计的任务 (4)

2.3 课程设计的技术指标 (4)

3电路设计总方案及原理框图 (5)

3.1 电路设计原理框图 (5)

3.2 电路设计方案设计 (5)

4 各部分电路设计 (10)

4.1 反相放大器 (10)

4.2 反相加法器 (10)

4.3 零点补偿及放大电路 (11)

4.4非线性校正电路 (11)

4.5 总电路图 (13)

5电路的安装与调试 (14)

5.1 电路的安装与调试 (14)

5.2 调试中遇到的问题及解决的方法 (14)

6电路的实验结果 (15)

7 实验总结 (16)

8 仪器仪表明细清单 (17)

9 参考文献 (18)

1课题简介

1.1 基于K型热电偶传感器测量电路设计简介

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0~1200℃，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。

1.2 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。

1.3 K型热电偶特点

1.3.1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限制，外有保护套管，用起来非常方便。

1.3.2 根据温度测量范围及精度，选用相应分度号的热电偶、使用温度在

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。

1.4 K型热电偶分度表

2设计的目的及任务2.1 课程设计的目的

2.1.1 掌握传感器选择的一般设计方法

2.1.2 掌握模拟IC器件的应用

2.1.3 掌握测量电路的设计方法

2.1.4 培养综合应用所学知识来指导实践的能力

2.2 课程设计的任务

设计基于K型热电偶传感器的测量电路

2.3 课程设计的技术指标

2.3.1 设计、组装、调试

2.3.2 温度测量范围：0～1200℃

2.3.3 使用环境温度范围：0～85℃

2.3.4 输出电压：0～600℃为0～6V

2.3.5 测温误差：≤±0.5％

2.3.6 具有温度补偿功能

2.3.7 具有非线性补偿功能

3电路设计总方案及原理框图

3.1 电路设计原理框图

本课题中测量电路组成框图如下所示：

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0～600℃对应的输出电压为0～6V；另一路是600～1200℃对应的输出电压为6～12V。

3.2 电路设计方案设计

3.2.1方案一

零点补偿、放大和非线性校正电路见图3-1。由图可见，它由热电偶的零点补偿、放大和非线性校正两部分组成。

(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：

V o=249.952V i

式中，V i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V i与温度t不成线性关系，可用下式表示：

V i=a0+a1t+a2t2+…+a n t n(3-1) 式中，a0为零点输出；a1为灵敏度；a2，a3，…，a n为非线性项系数。

a0，a1，a2，a3，…，a n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(3-1)，经计算可用下式表示：

0~600℃ 62(11.4 1.009534 5.50610)o a a V V V -=-+-? (3-2) 600~1200℃ 62(745.20.77280813.13510)o a a V V V -=++? (3-3)

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

由图3-1可见，AD538AD 组成了乘除器，它有三个输入端子V x 、V y 和V z ，且能完成下列运算：

m

z o y x V V V V ??

= ???

(3-4)

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V y 和V z 的输人为V a ，15脚与4脚连接，AD538AD 内部基准电压由4脚输出电压10V ，故V x =10V ，因此式(3-4)为：

1

2

1010000a a

o a V V V V V mV ??'==

???

(3-5) 从而实现了平方运算。

温度在0~600℃范围时，由A 1和A 2实现式(3-2)的运算：

由A 1和A 2完成一次系数1.009534的运算，其中A 1是反相输入的放大器，A 2是反相输入的加法器。A 1的输出为V o1：

01V =a a V Rp k k V Rp R R 1

1121415+ΩΩ

-=+-

调整多圈电位器可使V o1=－1.009534V a 。

A 2的一条支路R 6与R 3组成一个系数为(－1)的支路。

1151536-=Ω

Ω

-=-

k k R R 它将V o1转换成V o ’=1.009534V a 。 R 6与R 4组成V a 的二次系数支路

22

4661055.51000027015'"a a a o V mV

V k k V R R V -?-=?ΩΩ

-=-

=所以 R 6与R 5组成常系数－11.4的偏置电路，其输出为：

11310102.13151056'"-=??Ω

Ω-=?-=mV M k V R R V o 所以

由叠加定理可得：

62(11 1.009534 5.5510)o o o o a a V V V V V V -''''''=++=-+-?

上式与式(3-2)大体相同。若R 4和R 5用多圈电位器可调整到与式(3-2)完全相同。 温度在600~1200℃范围内用式(3-3)来线性校正。该式的运算由A 3和A 4完成，其中A 4是放大倍数为－1的反相放大器。其分析方法与式(3-2)相同。0~600℃和600~1200℃的输出电压V o 分别为0~6V 和6~12V ，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。

图3-1 方案一原理图

3.2.1方案二

零点补偿、放大和非线性校正电路见图3-2。由图可见，它由热电偶的零点补偿、放大和非线性校正两部分组成。

(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：

V o =249.952V i

式中，V i 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V i 与温度t 不成线性关系，可用下式表示：

V i =a 0+a 1t+a 2t 2+…+a n t n (3-6)

式中，a 0为零点输出；a 1为灵敏度；a 2，a 3，…，a n 为非线性项系数。

a 0，a 1，a 2，a 3，…，a n 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(3-1)，经计算可用下式表示：

0~600℃ 62(11.4 1.009534 5.50610)o a a V V V -=-+-? (3-7) 600~1200℃ 62(745.20.77280813.13510)o a a V V V -=++? (3-8)

非线性校正的关键是如何通过电路的运算实现式(3-7)和式(3-8)。它可由平方器和加法器来完成。

由图3-2可见，AD538AD 组成了乘除器，它有三个输入端子V x 、V y 和V z ，且能完成下列运算：

m

z o y x V V V V ??

= ???

(3-9)

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V y 和V z 的输人为V a ，15脚与4脚连接，AD538AD 内部基准电压由4脚输出电压10V ，故V x =10V ，因此式(3-9)为：

1

2

1010000a a

o a V V V V V mV ??'==

???

(3-10) 从而实现了平方运算。

温度在0~600℃范围时，由A 1和A 2实现式(3-7)的运算：

由A 1和A 2完成一次系数1.009534的运算，其中A 1是反相输入的放大器，A 2是反相输入的加法器。A 1的输出为V o1：

2111109.41o a a P R k V V V R R k k Ω

=-

=-+Ω+Ω

调整多圈电位器R Pl 可使V o1=－1.009534V a 。 A 2的一条支路R 6与R 3组成一个系数为(－1)的支路。

6310110R K R K Ω

-

=-=-Ω

它将V o1转换成V o ’=1.009534V a 。 R 6与R 4组成V a 的二次系数支路

2

626410 5.551018010000a

o a a R V k V V V R k mV

-Ω'''=-=-?=-?Ω

R 6与R 5组成常系数－11.4的偏置电路，其输出为：

65101010119.1o R k V V V R M Ω'''=-

?=-?=-Ω

由叠加定理可得：

62(11 1.009534 5.5510)o o o o a a V V V V V V -''''''=++=-+-?

上式与式(3-7)大体相同。若R 4和R 5用多圈电位器可调整到与式(3-7)完全相同。 温度在600~1200℃范围内用式(3-8)来线性校正。该式的运算由A 3和A 4完成，其中A 4是放大倍数为－1的反相放大器。其分析方法与式(3-7)相同。0~600℃和600~1200℃的输出电压V o 分别为0~6V 和6~12V ，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。

图3-2 方案二原理图

4各部分电路设计

4.1反相放大器

图4-1

反相放大器如图4-1所示，开环增益1

2

R R u u K i o f -==，即i o u R R u 12-=；其中平衡电阻R3= R1 // R2 。

4.2反相加法器

图4-2

u R 2

反相加法器如图4-2所示，22

11i f

i f o u R R u R R u --

=；平衡电阻R=R1//R2//Rf 。 4.3零点补偿及放大电路

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：

V o =249.952V i

式中，V i 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4-3所示。

图4-3零点补偿及放大电路

4.4非线性校正电路

热电偶的热电动势V i 与温度t 不成线性关系，可用下式表示：

V i =a 0+a 1t+a 2t 2+…+a n t n (4-1)

式中，a 0为零点输出；a 1为灵敏度；a 2，a 3，…，a n 为非线性项系数。

a 0，a 1，a 2，a 3，…，a n 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(4-1)，经计算可用下式表示：

0~600℃ 62(11.4 1.009534 5.50610)o a a V V V -=-+-? (4-2) 600~1200℃ 62(745.20.77280813.13510)o a a V V V -=++? (4-3)

非线性校正的关键是如何通过电路的运算实现式(4-2)和式(4-3)。它可由平方器和加法器来完成。

由图4-4可见，AD538AD 组成了乘除器，它有三个输入端子V x 、V y 和V z ，且能完成下列运算：

m

z o y x V V V V ??

= ???

(4-4)

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V y 和V z 的输人为V a ，15脚与4脚连接，AD538AD 内部基准电压由4脚输出电压10V ，故V x =10V ，因此式(4-4)为：

1

2

1010000a a

o a V V V V V mV ??'==

???

(4-5) 从而实现了平方运算。

温度在0~600℃范围时，由A 1和A 2实现式(4-2)的运算：

由A 1和A 2完成一次系数1.009534的运算，其中A 1是反相输入的放大器，A 2是反相输入的加法器。A 1的输出为V o1：

2111109.41o a a P R k V V V R R k k Ω

=-

=-+Ω+Ω

调整多圈电位器R Pl 可使V o1=－1.009534V a 。 A 2的一条支路R 6与R 3组成一个系数为(－1)的支路。

6310110R K R K Ω

-

=-=-Ω

它将V o1转换成V o ’=1.009534V a 。 R 6与R 4组成V a 的二次系数支路

2

626410 5.551018010000a

o a a R V k V V V R k mV

-Ω'''=-=-?=-?Ω

R 6与R 5组成常系数－11.4的偏置电路，其输出为：

65101010119.1o R k V V V R M Ω'''=-

?=-?=-Ω