热电偶测温电路Multisim仿真及故障字典建立

一、热电偶测温原理

1.简介

       热电偶（thermocouple）是温度测量中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。

2.热电势形成

        两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect）。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。

        热电偶产生的热电势由两种导体的接触电势（帕尔贴电势）以及单一导体的温差电势（汤姆逊电势）组成。

3.中间导体定律

        在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。

 

4.中间温度定律

        热电偶在节点温度为T、T0时的热电势值Eab（T，T0）等于热电偶在（T，Tn）和（Tn，T0）时相应的热电势Eab（T，Tn）与Eab（Tn，T0）的代数和，Tn称为中间温度。

二、仿真电路搭建

1.仪表放大器的选择

       原电路中采用AD524仪表放大器，但multisim中没有该型号仪表放大器，因此选取AD624仪表放大器。

       首先计算原电路中AD524的增益，查看AD524数据手册：

       按图中公式进行计算，得到G=3.496*10≈35。

       之后，查看AD624数据手册：

        该种连接方式无法满足增益为35的需求，改为下图中连接方式，引脚6需接地：

         易知Gain与RG的关系：

        通过计算，将绿框中电阻替换为R=1.18k（精度1%）的电阻，则可以满足需要。

        仿真电路如下图所示：

2.冷端温度补偿

         由于中间温度定律（热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和，其中Tn称为中间温度。），我们可以进行冷端补偿。如上图，我们选择AD590温度传感器测量冷端温度，并将测得传至模数转换器 (ADC)，进而通过软件进行补偿。

 三、建立故障字典

1.故障字典法

        故障字典法是一种基于定性经验的故障诊断方法。通过提取不同故障情况下的电路特征量(例如电压、电流、幅频特性等)，并且将提取出来的数据整理成与故障相对应的字典，一旦电路设备发生故障，将实际测得的数据与故障字典保存的数据进行比对，从而迅速找到出现故障的位置以及相对应的元器件。

2.步骤

        建立故障字典首先要确定故障的状态集，即明确在测温过程中可能出现的异常状态或者故障类型：

热电偶测量电路故障状态集

故障状态	故障描述
F1	无故障
F2	热电偶断线
F3	+Vs电源断开
F4	-Vs电源断开
F5	放大器3、16引脚断开
F6	热电偶正级硬件检测电路断线

        随后进行故障现象集划分，根据相关理论或者实验明确每种故障现象所包含的所有故障类型。之后，以AD624的1、2、14、5管脚以及放大器输出的电压值作为故障参数：

         通过闭合、断开开关来模拟故障状况，通过模拟万用表测量检测节点的电压：

热电偶测量电路故障现象集(热电偶输出电压为1mV时)

故障参数	故障现象集编号	故障现象集所含故障	参数范围
V1	0	无故障	140-160mV
	1	F2、F6	≈0
V2	0	无故障	140-160mV
	1	F2	>250mV
	2	F6	≈0
V14	0	无故障	-15V
	1	F4	<3V
V5	0	无故障	15V
	1	F3	<1V
Vout	0	无故障	32~40mV
	1	F2	>4.5V
	2	F5	≈0

        最后，将所有故障类型的故障代码进行总结，完成故障字典的制作：

热电偶测量电路故障字典

故障状态	故障代码（V1  V2  V14  V5  Vout）
F1	00000
F2	11001
F3	XXX1X
F4	XX1XX
F5	00002
F6	12000