熱電偶斷線(xiàn)檢測方法

摘要:熱電偶作為溫度測量?jì)x表中常用的測溫元件，具有測溫精度高、結構簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應速度快，測溫范圍較寬等優(yōu)點(diǎn)，在火電以及化工行業(yè)得到了大量的應用。就其工作原理以及如何設計基于國產(chǎn)ADC芯片的熱電偶測量模件斷線(xiàn)檢測功能進(jìn)行了詳細的分析，具體方法為通過(guò)微處理器、比較器和模擬開(kāi)關(guān)芯片，利用電壓基準源，在無(wú)恒流源的情況下能夠高效地實(shí)現現場(chǎng)熱電偶信號輸人回路的斷線(xiàn)檢測，既能簡(jiǎn)化電路縮減硬件成本，又能適配國產(chǎn)化熱電偶測量模件，極大地保證了整個(gè)控制系統的安全性及可靠性。
0引言
　　溫度測量技術(shù)的應用廣泛，利用各種熱電現象是溫度測量的重要方式?；跍y量設備和被測介質(zhì)之間存在的接觸性質(zhì)，溫度測量技術(shù)可分為接觸式、半接觸式和非接觸式3類(lèi)。
　　熱電偶作為溫度測量?jì)x表中常用的測溫元件，將溫度信號轉換成熱電動(dòng)勢信號，最終通過(guò)采集系統轉換成被測介質(zhì)的溫度反饋給上位機系統。熱電偶測溫因其具有以下優(yōu)點(diǎn):①測溫精度高;②結構簡(jiǎn)單，便于維護;③動(dòng)態(tài)響應速度快;④測溫范圍較寬;⑤信號可以遠傳，便于集中檢測和自動(dòng)控制，在火電以及化工行業(yè)得到了大量的應用。
1熱電偶測溫基本原理
　　熱電偶測溫的基本原理是基于熱電效應原理，即通過(guò)兩種不同類(lèi)型的金屬導體進(jìn)行連接，使其得以形成統一的回路。若所連接的結點(diǎn)處溫度不同，則在相應的測量回路.中產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢能，進(jìn)而形成電流，也就發(fā)生了熱效應。
　　例如A，B兩種導體，一端通過(guò)焊接形成結點(diǎn)，為工作端，位于待測介質(zhì);另一端接測溫儀表，為參考端。由于熱電效應在測溫回路中形成的熱電動(dòng)勢為EAB(T1,T0)，可以表示為:A、B兩種導體組成的熱電偶，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)勢為EAB(T1，T0)。
　　熱電偶測溫，歸根結底是測量熱電偶兩端的熱電動(dòng)勢,再根據一定的比例關(guān)系將熱電動(dòng)勢轉換成了所對應的溫度。
1.1熱電偶基本種類(lèi)
　　近一個(gè)世紀以來(lái)，熱電偶的種類(lèi)多達幾百種，應用較廣的有幾十種，而電工推薦的工業(yè)用標準熱電偶為8種(目前中國國家標準已與國際標準統一)。分別是:鉑銠10-鉑(分度號為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種標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差，并有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。
1.2熱電偶冷端溫度補償
　　熱電偶測量溫度時(shí)要求其冷端的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時(shí)，冷端的(環(huán)境)溫度變化，將會(huì )嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償稱(chēng)為熱電偶的冷端補償，常見(jiàn)的冷端補償方法有以下3種:
1)補償導線(xiàn)法是用一對與所使用的熱電偶具有相同熱電特性的廉價(jià)金屬，作為連接導線(xiàn)來(lái)連接熱電偶冷端和指示器。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與回路中間溫度無(wú)關(guān)，所以回路總的熱電勢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。這樣，利用補償導線(xiàn)，無(wú)論熱電偶的實(shí)際冷端溫度如何變化，消除了誤差，完成了冷端溫度補償。
2)冰浴法是利用冰水混合物能在較長(cháng)時(shí)間內保持在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(cháng)時(shí)間工作，冰也難免會(huì )融化，所以這種方法在實(shí)驗室使用較多.
3)儀表機械零點(diǎn)調整法:當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，對測量精度要求又不太高時(shí)，可將儀表的機械零點(diǎn)調整至熱電偶冷端所處的溫度t0處，這相當于在輸人熱電偶的熱電勢前就給儀表輸人一個(gè)熱電勢E(t0,0℃),這樣儀表最終所指示的值約為E(tO,0℃)+E(t,t0)。
2熱電偶測量模件的斷線(xiàn)檢測功能現狀
　　熱電偶測溫模件是基于熱電偶測溫原理所設計的測溫模塊，工業(yè)上一般采用補償導線(xiàn)法進(jìn)行冷端補償以保證其測量精度。其次，為了保證熱電偶的正常工作，需要對每個(gè)信號輸人通道進(jìn)行斷線(xiàn)檢測，以判斷當前測量值是否正確。斷線(xiàn)檢測功能直接影響了溫度測量值的品質(zhì)，對整個(gè)控制系統的可靠性與穩定性至關(guān)重要，著(zhù)重分析熱電偶信號的斷線(xiàn)檢測功能。
　　熱電偶信號不同于傳統的模擬量信號(4mA~20mA信號)，傳統的模擬量信號的斷線(xiàn)檢測可以通過(guò)測量值超出臨界值去判斷，而熱電偶信號存在零電勢差的情況故其斷線(xiàn)檢測功能的設計具有一定的難度。
目前市面上已有兩種主流方法:一是采用熱電偶斷線(xiàn)內阻無(wú)窮大的原理，對每個(gè)通道增加獨立的斷線(xiàn)檢測器件，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A(yíng)DC芯片里的恒流源發(fā)出激勵電流去流過(guò)現場(chǎng)的熱電偶，再流過(guò)被測電阻到大地的方式。如果通道斷線(xiàn)，則電流不能形成回路，電流不能流經(jīng)被測電阻，最終通過(guò)去比較被測電阻上的電壓與已有的電壓基準來(lái)判斷是否斷線(xiàn)。
　　下面將結合實(shí)例對此方法進(jìn)行詳細介紹，如圖1所示，一種多通道熱電偶信號輸人回路斷線(xiàn)檢測電路，包括熱電偶輸入信號多通道復用電路、斷線(xiàn)檢測電路和微處理器;熱電偶輸人信號多通道復用電路包括多個(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接人測量回路中。
 
　　將選取其中一個(gè)通道對其斷線(xiàn)檢測電路進(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、模擬量輸人信號多通道復用電路連接;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。
　　設置IN1Select為低電平，低電平選通第一通道，設置模擬開(kāi)關(guān)U1的輸人信號為高電平，電阻R1、R2分別為100KΩ、200KΩ，進(jìn)口A(yíng)DC芯片發(fā)出激勵電流，并把恒流源設置輸出為10uA電流信號，恒壓源輸出其值為1.18V。當輸人通道電路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;當輸人通道電路1斷線(xiàn)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)判斷當前輸人通道電路1是否存在斷線(xiàn)。檢測完成后，設置IN1Select為高電平關(guān)閉輸人通道電路1的檢測，設置IN2Select為低電平繼續進(jìn)行輸人通道電路2的斷線(xiàn)檢測，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A(yíng)DC芯片里的恒流源，而目前市面上國產(chǎn)ADC芯片大多沒(méi)有集成恒流源，所以這種方法在國產(chǎn)化控制系統中具有一定的局限性。
　　針對現有技術(shù)中的不足，提出了一種方法，具體為一種熱電偶信號輸人回路的斷線(xiàn)檢測電路，能夠實(shí)現熱電偶信號輸入回路的斷線(xiàn)檢測功能，具有電路結構簡(jiǎn)單，檢測器件少，不需要配置恒流源等特點(diǎn)，這種方法能夠適配基于國產(chǎn)ADC芯片的熱電偶測量模件。
3基于國產(chǎn)ADC芯片的熱電偶斷線(xiàn)檢測電路的設計
　　該方法具體表現為一種熱電偶信號輸人回路的斷線(xiàn)檢測電路的設計，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，被測熱電偶信號的正端通過(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;被測熱電偶信號的負端分別與模數轉換器芯片、比較器U1連接;比較器U1與電壓基準源連接。
 
　　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，利用電壓基準源，在無(wú)恒流源的情況下能夠高效地實(shí)現現場(chǎng)熱電偶信號輸人回路的斷線(xiàn)檢測。接下來(lái)本文將詳細對該斷線(xiàn)檢測電路進(jìn)行分析處理，介紹該方法是如何實(shí)現斷線(xiàn)檢測功能。
4案例電路分析
　　如圖2所示，熱電偶信號在正常采集模式時(shí)流程如下:微處理器發(fā)出sclect1信號，模擬開(kāi)關(guān)芯片的管腳al與b1導通，被測熱電偶信號輸人到模數轉換器芯片的輸入端，由模數轉換器芯片采集數據并傳給微處理器。
　　當熱電偶信號進(jìn)行斷線(xiàn)檢測模式時(shí)，流程如下:微處理器發(fā)出sclect2信號，模擬開(kāi)關(guān)芯片的管腳a2與b2導通，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(xiàn)，如圖1所示，比較器U2的負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場(chǎng)熱電偶信號是否斷線(xiàn)所決定的，當現場(chǎng)熱電偶信號斷線(xiàn)時(shí)，等效電路如圖3所示，U2的正輸人端的電壓即測點(diǎn)1的電壓，由電阻R1與電阻R2分壓決定;當現場(chǎng)熱電偶信號非斷線(xiàn)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點(diǎn)1的電壓，由電阻R1、電阻R2、電阻R5以及熱電偶內阻決定。
 
以下通過(guò)實(shí)例對斷線(xiàn)檢測電路進(jìn)行分析。
設定電壓基準為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的負輸入端即測點(diǎn)2的電壓值是固定值為:(2.5/(R3+R4))xR4=1.43V。
1)當現場(chǎng)熱電偶信號斷線(xiàn)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的負輸人端即測點(diǎn)2的電壓143V,所以比較器U2輸出低電平信號，表示回路處于斷線(xiàn)狀態(tài)。
2)當現場(chǎng)熱電偶信號非斷線(xiàn)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點(diǎn)1的電壓值。由于熱電偶的內阻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的負輸人端即測點(diǎn)2的電壓1.43V，所以U2輸出高電平信號,表示回路沒(méi)有斷線(xiàn)。
結論
　　熱電偶測溫模件的工作原理，并對其斷線(xiàn)檢測功能進(jìn)行了詳細的分析，提供的實(shí)現方法即通過(guò)微處理器、比較器和模擬開(kāi)關(guān)芯片，利用電壓基準源,在無(wú)恒流源的情況下，能夠高效地實(shí)現現場(chǎng)熱電偶信號輸人回路的斷線(xiàn)檢測，既能簡(jiǎn)化電路縮減硬件成本，又能適配國產(chǎn)化熱電偶測量模件，極大地保證了整個(gè)控制系統的安全性及可靠性。