熱電偶斷線檢測方法

摘要:熱電偶作為溫度測量儀表中常用的測溫元件，具有測溫精度高、結構簡單、動態響應速度快，測溫范圍較寬等優點，在火電以及化工行業得到了大量的應用。就其工作原理以及如何設計基于國產ADC芯片的熱電偶測量模件斷線檢測功能進行了詳細的分析，具體方法為通過微處理器、比較器和模擬開關芯片，利用電壓基準源，在無恒流源的情況下能夠高效地實現現場熱電偶信號輸人回路的斷線檢測，既能簡化電路縮減硬件成本，又能適配國產化熱電偶測量模件，極大地保證了整個控制系統的安全性及可靠性。
0引言
　　溫度測量技術的應用廣泛，利用各種熱電現象是溫度測量的重要方式?；跍y量設備和被測介質之間存在的接觸性質，溫度測量技術可分為接觸式、半接觸式和非接觸式3類。
　　熱電偶作為溫度測量儀表中常用的測溫元件，將溫度信號轉換成熱電動勢信號，最終通過采集系統轉換成被測介質的溫度反饋給上位機系統。熱電偶測溫因其具有以下優點:①測溫精度高;②結構簡單，便于維護;③動態響應速度快;④測溫范圍較寬;⑤信號可以遠傳，便于集中檢測和自動控制，在火電以及化工行業得到了大量的應用。
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，即通過兩種不同類型的金屬導體進行連接，使其得以形成統一的回路。若所連接的結點處溫度不同，則在相應的測量回路.中產生一定的電動勢能，進而形成電流，也就發生了熱效應。
　　例如A，B兩種導體，一端通過焊接形成結點，為工作端，位于待測介質;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T1，參考端溫度為TO,形成的熱電動勢為EAB(T1，T0)。
　　熱電偶測溫，歸根結底是測量熱電偶兩端的熱電動勢,再根據一定的比例關系將熱電動勢轉換成了所對應的溫度。
1.1熱電偶基本種類
　　近一個世紀以來，熱電偶的種類多達幾百種，應用較廣的有幾十種，而電工推薦的工業用標準熱電偶為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系。若測量時，冷端的(環境)溫度變化，將會嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償稱為熱電偶的冷端補償，常見的冷端補償方法有以下3種:
1)補償導線法是用一對與所使用的熱電偶具有相同熱電特性的廉價金屬，作為連接導線來連接熱電偶冷端和指示器。熱電偶產生的熱電勢與回路中間溫度無關，所以回路總的熱電勢等于熱電偶熱端溫度為T，冷端溫度為T0時的熱電勢。這樣，利用補償導線，無論熱電偶的實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時間內保持在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，來保證冷端溫度為0℃的。但是由于長時間工作，冰也難免會融化，所以這種方法在實驗室使用較多.
3)儀表機械零點調整法:當熱電偶與儀表配套使用時,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，可將儀表的機械零點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，工業上一般采用補償導線法進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，需要對每個信號輸人通道進行斷線檢測，以判斷當前測量值是否正確。斷線檢測功能直接影響了溫度測量值的品質，對整個控制系統的可靠性與穩定性至關重要，著重分析熱電偶信號的斷線檢測功能。
　　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檢測可以通過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內阻無窮大的原理，對每個通道增加獨立的斷線檢測器件，這將會增加很多的器件成本;另一種方法是通過集成在ADC芯片里的恒流源發出激勵電流去流過現場的熱電偶，再流過被測電阻到大地的方式。如果通道斷線，則電流不能形成回路，電流不能流經被測電阻，最終通過去比較被測電阻上的電壓與已有的電壓基準來判斷是否斷線。
　　下面將結合實例對此方法進行詳細介紹，如圖1所示，一種多通道熱電偶信號輸人回路斷線檢測電路，包括熱電偶輸入信號多通道復用電路、斷線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輸人通道電路,其主要作用是利用微處理器發出命令將熱電偶輸人信號接人測量回路中。
 
　　將選取其中一個通道對其斷線檢測電路進行重點介紹，具體包括模擬開關、恒流源、恒壓源和電壓比較器;模擬開關分別與微處理器、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關連接;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，設置模擬開關U1的輸人信號為高電平，電阻R1、R2分別為100KΩ、200KΩ，進口ADC芯片發出激勵電流，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，此時恒流源的電流從IN1+流出，從IN1-返回并流過電阻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斷線時，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邇過電平的高低來判斷當前輸人通道電路1是否存在斷線。檢測完成后，設置IN1Select為高電平關閉輸人通道電路1的檢測，設置IN2Select為低電平繼續進行輸人通道電路2的斷線檢測，過程同輸人通道電路1類似。
　　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，但是其利用了進口ADC芯片里的恒流源，而目前市面上國產ADC芯片大多沒有集成恒流源，所以這種方法在國產化控制系統中具有一定的局限性。
　　針對現有技術中的不足，提出了一種方法，具體為一種熱電偶信號輸人回路的斷線檢測電路，能夠實現熱電偶信號輸入回路的斷線檢測功能，具有電路結構簡單，檢測器件少，不需要配置恒流源等特點，這種方法能夠適配基于國產ADC芯片的熱電偶測量模件。
3基于國產ADC芯片的熱電偶斷線檢測電路的設計
　　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和模擬開關芯片，被測熱電偶信號的正端通過分壓電阻與模擬開關芯片連接，模擬開關芯片與比較器U2連接，比較器U2通過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。
 
　　本方法通過微處理器、比較器U1、比較器U2和模擬開關芯片，利用電壓基準源，在無恒流源的情況下能夠高效地實現現場熱電偶信號輸人回路的斷線檢測。接下來本文將詳細對該斷線檢測電路進行分析處理，介紹該方法是如何實現斷線檢測功能。
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流程如下:微處理器發出sclect1信號，模擬開關芯片的管腳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。
　　當熱電偶信號進行斷線檢測模式時，流程如下:微處理器發出sclect2信號，模擬開關芯片的管腳a2與b2導通，通過比較比較器U2兩個輸人端的電壓來判斷是否斷線，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熱電偶信號是否斷線所決定的，當現場熱電偶信號斷線時，等效電路如圖3所示，U2的正輸人端的電壓即測點1的電壓，由電阻R1與電阻R2分壓決定;當現場熱電偶信號非斷線時，等效電路如圖4所示，比較器U2的正輸人端的電壓即測點1的電壓，由電阻R1、電阻R2、電阻R5以及熱電偶內阻決定。
 
以下通過實例對斷線檢測電路進行分析。
設定電壓基準為2.5V，R1=R2=1.2KΩ,R3=5.6KΩ,R4=7.5KΩ，R5=0.475KΩ，上文已經分析了比較器U2的負輸入端即測點2的電壓值是固定值為:(2.5/(R3+R4))xR4=1.43V。
1)當現場熱電偶信號斷線時，等效電路如圖3所示，比較器U2的正輸人端的電壓即測點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，表示回路處于斷線狀態。
2)當現場熱電偶信號非斷線時,等效電路如圖4所示，比較器U2的正輸人端的電壓即測點1的電壓值。由于熱電偶的內阻R通常很小，一般不超過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2的電壓1.43V，所以U2輸出高電平信號,表示回路沒有斷線。
結論
　　熱電偶測溫模件的工作原理，并對其斷線檢測功能進行了詳細的分析，提供的實現方法即通過微處理器、比較器和模擬開關芯片，利用電壓基準源,在無恒流源的情況下，能夠高效地實現現場熱電偶信號輸人回路的斷線檢測，既能簡化電路縮減硬件成本，又能適配國產化熱電偶測量模件，極大地保證了整個控制系統的安全性及可靠性。