数字式温度测量调节仪的研制

　　温度是工业生产中最普遍而又重要的参数之一.其测量精度对产品的质量有直接的影响,因而在工业生产和科学研究中,科技工作者不断探索提高温度测量仪表精度的方法,使产品达到优质、高产、低耗的目标.

　　温度测量仪表的发展经历过电子管、晶体管及大规模集成电路的巨大变革.尤其是一体化数字式温度测量调节仪表的出现,一改以往指针式调节指示方式,促进了仪表行业向微型化数字化方面发展.由于数式测量调节仪表具有高精度、可靠性高、抗震性强、安装调节简便、读数清晰、无视差等独特优点,已被广泛应用于冶金、化工、电子、机械、轻纺、家用电器等行业的温度测量和自动控制.

　　1　仪表组成及其工作原理

　　数字式温度测量调节仪的组成框图见图1.由图可见，感温传感器将被测温度转换为热电势，经对热电偶的冷端温度引起的测量误差进行自动补偿后，使热电偶的热电势与被测温度成单值函数关系.然后将信号送入放大器进行放大.非线性补偿网络对热电势与温度的非线性关系进行线性校正。经线性化放大后的信号,一路经大规模集成电路进行模/数转换,用LED显示温度值,同时把信号传输到调节网络,与设定值比较后,将运算结果控制执行器,调节被测温度在设定的温度范围内.图2是数字式温度调节仪的电路原理.

　　2　主要电路分析

　　2·1　热电偶冷端温度补偿电路

　　热电偶测温时,它的工作端(又称为热端)接触被测温度,自由端(又称为冷端)通过补偿导线与测量指示仪表相连,这样在高低温两端,就产生热电动势,其大小可用下式表达:[1]

　　式中EAB为热电偶两端的总热电动势;t为热端温度;to为冷端温度;NAt为导体A在温度为T时的电子密度;NBt为导体B在温度为T时的电子密度;dt为微元导体中的微温差元.

　　由上式可见,EAB(t,to)是热电偶热冷两端温度的函数之差.若to=0,f(to)=0;to为某一温度时,f(to) = c,c为常数,则

　　可见,EAB(t,to)与t具有单值函数关系.

　　不同分度号的热电偶分度表,其自由端都是在0℃时进行标定的,但实际上热电偶的自由端与工作端相距很近,且暴露于大气中,其冷端温度必然受到周围环境温度变动的影响,不可能保持在0℃,因而就会引入测量误差.为了保证准确的测量和使热电势与工作温度成单值函数关系,必须对热电偶的冷端进行热电势补偿.补偿方法采用补偿电桥法.

　　由R₁、R₇、R₈、R₉、RP₁及Rcu组成热电偶冷端补偿电桥。假设Rcu在0℃时的值为Rcu=R4=R7=R8,桥路处于平衡状态,无电位差输出。这时仪表显示的温度是热电偶工作端的真实温度.若热电偶的自由端温度升高,导致测温回路总电势降低.由于Rcu具有正温度系数,其阻值随着温度升高而增大,使电桥失去平衡而产生电位差,其数值恰巧与热电偶自由端产生的热电势相同,则两者互相补偿,因此仪表显示的数值仍然反映了热电偶工作端的真实值.