熱電偶斷線檢測(cè)方法

摘要:熱電偶作為溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，具有測(cè)溫精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，測(cè)溫范圍較寬等優(yōu)點(diǎn)，在火電以及化工行業(yè)得到了大量的應(yīng)用。就其工作原理以及如何設(shè)計(jì)基于國(guó)產(chǎn)ADC芯片的熱電偶測(cè)量模件斷線檢測(cè)功能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，具體方法為通過(guò)微處理器、比較器和模擬開(kāi)關(guān)芯片，利用電壓基準(zhǔn)源，在無(wú)恒流源的情況下能夠高效地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)熱電偶信號(hào)輸人回路的斷線檢測(cè)，既能簡(jiǎn)化電路縮減硬件成本，又能適配國(guó)產(chǎn)化熱電偶測(cè)量模件，極大地保證了整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性及可靠性。
0引言
　　溫度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用廣泛，利用各種熱電現(xiàn)象是溫度測(cè)量的重要方式。基于測(cè)量設(shè)備和被測(cè)介質(zhì)之間存在的接觸性質(zhì)，溫度測(cè)量技術(shù)可分為接觸式、半接觸式和非接觸式3類(lèi)。
　　熱電偶作為溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，最終通過(guò)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度反饋給上位機(jī)系統(tǒng)。熱電偶測(cè)溫因其具有以下優(yōu)點(diǎn):①測(cè)溫精度高;②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù);③動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快;④測(cè)溫范圍較寬;⑤信號(hào)可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測(cè)和自動(dòng)控制，在火電以及化工行業(yè)得到了大量的應(yīng)用。
1熱電偶測(cè)溫基本原理
　　熱電偶測(cè)溫的基本原理是基于熱電效應(yīng)原理，即通過(guò)兩種不同類(lèi)型的金屬導(dǎo)體進(jìn)行連接，使其得以形成統(tǒng)一的回路。若所連接的結(jié)點(diǎn)處溫度不同，則在相應(yīng)的測(cè)量回路.中產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)能，進(jìn)而形成電流，也就發(fā)生了熱效應(yīng)。
　　例如A，B兩種導(dǎo)體，一端通過(guò)焊接形成結(jié)點(diǎn)，為工作端，位于待測(cè)介質(zhì);另一端接測(cè)溫儀表，為參考端。由于熱電效應(yīng)在測(cè)溫回路中形成的熱電動(dòng)勢(shì)為EAB(T1,T0)，可以表示為:A、B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶，工作端溫度為T(mén)1，參考端溫度為T(mén)O,形成的熱電動(dòng)勢(shì)為EAB(T1，T0)。
　　熱電偶測(cè)溫，歸根結(jié)底是測(cè)量熱電偶兩端的熱電動(dòng)勢(shì),再根據(jù)一定的比例關(guān)系將熱電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成了所對(duì)應(yīng)的溫度。
1.1熱電偶基本種類(lèi)
　　近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，熱電偶的種類(lèi)多達(dá)幾百種，應(yīng)用較廣的有幾十種，而電工推薦的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為8種(目前中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一)。分別是:鉑銠10-鉑(分度號(hào)為S)、鎳鉻-鎳硅(K)、鉑銠13-鉑(R)、鉑銠30-鉑銠6(B)、鐵-康銅(J)、鎳鉻-康銅(E)、銅-康銅(T)和鎳鉻硅一鎳硅(N)[3]。這8種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差，并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。
1.2熱電偶冷端溫度補(bǔ)償
　　熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的(環(huán)境)溫度變化，將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償稱(chēng)為熱電偶的冷端補(bǔ)償，常見(jiàn)的冷端補(bǔ)償方法有以下3種:
1)補(bǔ)償導(dǎo)線法是用一對(duì)與所使用的熱電偶具有相同熱電特性的廉價(jià)金屬，作為連接導(dǎo)線來(lái)連接熱電偶冷端和指示器。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與回路中間溫度無(wú)關(guān)，所以回路總的熱電勢(shì)等于熱電偶熱端溫度為T(mén)，冷端溫度為T(mén)0時(shí)的熱電勢(shì)。這樣，利用補(bǔ)償導(dǎo)線，無(wú)論熱電偶的實(shí)際冷端溫度如何變化，消除了誤差，完成了冷端溫度補(bǔ)償。
2)冰浴法是利用冰水混合物能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在0℃不變的特性，將熱電偶冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，來(lái)保證冷端溫度為0℃的。但是由于長(zhǎng)時(shí)間工作，冰也難免會(huì)融化，所以這種方法在實(shí)驗(yàn)室使用較多.
3)儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法:當(dāng)熱電偶與儀表配套使用時(shí),若熱電偶的冷端溫度比較恒定，對(duì)測(cè)量精度要求又不太高時(shí)，可將儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整至熱電偶冷端所處的溫度t0處，這相當(dāng)于在輸人熱電偶的熱電勢(shì)前就給儀表輸人一個(gè)熱電勢(shì)E(t0,0℃),這樣儀表最終所指示的值約為E(tO,0℃)+E(t,t0)。
2熱電偶測(cè)量模件的斷線檢測(cè)功能現(xiàn)狀
　　熱電偶測(cè)溫模件是基于熱電偶測(cè)溫原理所設(shè)計(jì)的測(cè)溫模塊，工業(yè)上一般采用補(bǔ)償導(dǎo)線法進(jìn)行冷端補(bǔ)償以保證其測(cè)量精度。其次，為了保證熱電偶的正常工作，需要對(duì)每個(gè)信號(hào)輸人通道進(jìn)行斷線檢測(cè)，以判斷當(dāng)前測(cè)量值是否正確。斷線檢測(cè)功能直接影響了溫度測(cè)量值的品質(zhì)，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性至關(guān)重要，著重分析熱電偶信號(hào)的斷線檢測(cè)功能。
　　熱電偶信號(hào)不同于傳統(tǒng)的模擬量信號(hào)(4mA~20mA信號(hào))，傳統(tǒng)的模擬量信號(hào)的斷線檢測(cè)可以通過(guò)測(cè)量值超出臨界值去判斷，而熱電偶信號(hào)存在零電勢(shì)差的情況故其斷線檢測(cè)功能的設(shè)計(jì)具有一定的難度。
目前市面上已有兩種主流方法:一是采用熱電偶斷線內(nèi)阻無(wú)窮大的原理，對(duì)每個(gè)通道增加獨(dú)立的斷線檢測(cè)器件，這將會(huì)增加很多的器件成本;另一種方法是通過(guò)集成在ADC芯片里的恒流源發(fā)出激勵(lì)電流去流過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的熱電偶，再流過(guò)被測(cè)電阻到大地的方式。如果通道斷線，則電流不能形成回路，電流不能流經(jīng)被測(cè)電阻，最終通過(guò)去比較被測(cè)電阻上的電壓與已有的電壓基準(zhǔn)來(lái)判斷是否斷線。
　　下面將結(jié)合實(shí)例對(duì)此方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，如圖1所示，一種多通道熱電偶信號(hào)輸人回路斷線檢測(cè)電路，包括熱電偶輸入信號(hào)多通道復(fù)用電路、斷線檢測(cè)電路和微處理器;熱電偶輸人信號(hào)多通道復(fù)用電路包括多個(gè)輸人通道電路,其主要作用是利用微處理器發(fā)出命令將熱電偶輸人信號(hào)接人測(cè)量回路中。
 
　　將選取其中一個(gè)通道對(duì)其斷線檢測(cè)電路進(jìn)行重點(diǎn)介紹，具體包括模擬開(kāi)關(guān)、恒流源、恒壓源和電壓比較器;模擬開(kāi)關(guān)分別與微處理器、模擬量輸人信號(hào)多通道復(fù)用電路連接;恒壓源與電壓比較器的反相端連接;電壓比較器的同相端與模擬開(kāi)關(guān)連接;電壓比較器與微處理器連接。
　　設(shè)置IN1Select為低電平，低電平選通第一通道，設(shè)置模擬開(kāi)關(guān)U1的輸人信號(hào)為高電平，電阻R1、R2分別為100KΩ、200KΩ，進(jìn)口ADC芯片發(fā)出激勵(lì)電流，并把恒流源設(shè)置輸出為10uA電流信號(hào)，恒壓源輸出其值為1.18V。當(dāng)輸人通道電路1連接正常時(shí)，此時(shí)恒流源的電流從IN1+流出，從IN1-返回并流過(guò)電阻R1、R2，計(jì)算得電壓比較器U2同相端的電壓為2V，大于反相端電壓，故輸出高電平;當(dāng)輸人通道電路1斷線時(shí)，電壓比較器U2同相端的電壓為0V,故輸出低電平，微處理器U3邇過(guò)電平的高低來(lái)判斷當(dāng)前輸人通道電路1是否存在斷線。檢測(cè)完成后，設(shè)置IN1Select為高電平關(guān)閉輸人通道電路1的檢測(cè)，設(shè)置IN2Select為低電平繼續(xù)進(jìn)行輸人通道電路2的斷線檢測(cè)，過(guò)程同輸人通道電路1類(lèi)似。
　　這種方法因其比較快速方便，成為了目前市面上的主流做法，但是其利用了進(jìn)口ADC芯片里的恒流源，而目前市面上國(guó)產(chǎn)ADC芯片大多沒(méi)有集成恒流源，所以這種方法在國(guó)產(chǎn)化控制系統(tǒng)中具有一定的局限性。
　　針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出了一種方法，具體為一種熱電偶信號(hào)輸人回路的斷線檢測(cè)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)熱電偶信號(hào)輸入回路的斷線檢測(cè)功能，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)器件少，不需要配置恒流源等特點(diǎn)，這種方法能夠適配基于國(guó)產(chǎn)ADC芯片的熱電偶測(cè)量模件。
3基于國(guó)產(chǎn)ADC芯片的熱電偶斷線檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
　　該方法具體表現(xiàn)為一種熱電偶信號(hào)輸人回路的斷線檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，如圖2所示，包括微處理器、比較器U1、比較器U2和模擬開(kāi)關(guān)芯片，被測(cè)熱電偶信號(hào)的正端通過(guò)分壓電阻與模擬開(kāi)關(guān)芯片連接，模擬開(kāi)關(guān)芯片與比較器U2連接，比較器U2通過(guò)隔離模塊與微處理器連接;被測(cè)熱電偶信號(hào)的負(fù)端分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片、比較器U1連接;比較器U1與電壓基準(zhǔn)源連接。
 
　　本方法通過(guò)微處理器、比較器U1、比較器U2和模擬開(kāi)關(guān)芯片，利用電壓基準(zhǔn)源，在無(wú)恒流源的情況下能夠高效地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)熱電偶信號(hào)輸人回路的斷線檢測(cè)。接下來(lái)本文將詳細(xì)對(duì)該斷線檢測(cè)電路進(jìn)行分析處理，介紹該方法是如何實(shí)現(xiàn)斷線檢測(cè)功能。
4案例電路分析
　　如圖2所示，熱電偶信號(hào)在正常采集模式時(shí)流程如下:微處理器發(fā)出sclect1信號(hào)，模擬開(kāi)關(guān)芯片的管腳al與b1導(dǎo)通，被測(cè)熱電偶信號(hào)輸人到模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片的輸入端，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片采集數(shù)據(jù)并傳給微處理器。
　　當(dāng)熱電偶信號(hào)進(jìn)行斷線檢測(cè)模式時(shí)，流程如下:微處理器發(fā)出sclect2信號(hào)，模擬開(kāi)關(guān)芯片的管腳a2與b2導(dǎo)通，通過(guò)比較比較器U2兩個(gè)輸人端的電壓來(lái)判斷是否斷線，如圖1所示，比較器U2的負(fù)輸人端的電壓值是固定的，由電阻R3與電阻R4分壓決定。而比較器U2的正輸人端的電壓則是由現(xiàn)場(chǎng)熱電偶信號(hào)是否斷線所決定的，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)熱電偶信號(hào)斷線時(shí)，等效電路如圖3所示，U2的正輸人端的電壓即測(cè)點(diǎn)1的電壓，由電阻R1與電阻R2分壓決定;當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)熱電偶信號(hào)非斷線時(shí)，等效電路如圖4所示，比較器U2的正輸人端的電壓即測(cè)點(diǎn)1的電壓，由電阻R1、電阻R2、電阻R5以及熱電偶內(nèi)阻決定。
 
以下通過(guò)實(shí)例對(duì)斷線檢測(cè)電路進(jìn)行分析。
設(shè)定電壓基準(zhǔn)為2.5V，R1=R2=1.2KΩ,R3=5.6KΩ,R4=7.5KΩ，R5=0.475KΩ，上文已經(jīng)分析了比較器U2的負(fù)輸入端即測(cè)點(diǎn)2的電壓值是固定值為:(2.5/(R3+R4))xR4=1.43V。
1)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)熱電偶信號(hào)斷線時(shí)，等效電路如圖3所示，比較器U2的正輸人端的電壓即測(cè)點(diǎn)1的電壓值為:(2.5/(R1+R2))xR2=1.25V,比較器U2的正輸人端的電壓1.25V小于U2的負(fù)輸人端即測(cè)點(diǎn)2的電壓143V,所以比較器U2輸出低電平信號(hào)，表示回路處于斷線狀態(tài)。
2)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)熱電偶信號(hào)非斷線時(shí),等效電路如圖4所示，比較器U2的正輸人端的電壓即測(cè)點(diǎn)1的電壓值。由于熱電偶的內(nèi)阻R通常很小，一般不超過(guò)100Ω,所以U2的正輸人端的電壓不低于1.88V，大于U2的負(fù)輸人端即測(cè)點(diǎn)2的電壓1.43V，所以U2輸出高電平信號(hào),表示回路沒(méi)有斷線。
結(jié)論
　　熱電偶測(cè)溫模件的工作原理，并對(duì)其斷線檢測(cè)功能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提供的實(shí)現(xiàn)方法即通過(guò)微處理器、比較器和模擬開(kāi)關(guān)芯片，利用電壓基準(zhǔn)源,在無(wú)恒流源的情況下，能夠高效地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)熱電偶信號(hào)輸人回路的斷線檢測(cè)，既能簡(jiǎn)化電路縮減硬件成本，又能適配國(guó)產(chǎn)化熱電偶測(cè)量模件，極大地保證了整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性及可靠性。