液體危險化學品自燃溫度檢測電路的設計

華 偉 陳 飛 李忠海 吳慶定

(中南林業科技大學材料成形技術研究所，湖南 長沙 410004)

液體危險化學品自燃溫度檢測電路的設計

華 偉 陳 飛 李忠海 吳慶定

(中南林業科技大學材料成形技術研究所，湖南 長沙 410004)

介紹了一種基于K型熱電偶傳感器的高精度溫度檢測電路，用于液體危險化學品自燃溫度檢測儀燃燒室內溫度的檢測。試驗表明，該電路滿足液體危險化學品自燃溫度檢測儀對其測溫范圍廣、精度高的要求。同時，該溫度檢測電路的設計原理與方法也可以廣泛應用于其他溫度檢測系統中。

液體危險化學品 自燃溫度 檢測儀 熱電偶 高精度 溫度檢測電路

0 引言

隨著化學工業的快速發展，我國危險化學品的產量和貿易量呈逐年增加的趨勢，因國外化學品管理制度的限制而產生的貿易摩擦問題日益凸顯。歐盟在2007年6月1日正式實施《化學品注冊、評估、許可和限制》(REACH法規)。REACH法規規定在2018年6月1日之前歐盟年產量或進口量超過1 t的所有化學物質需要注冊，年產量或進口量10 t以上的化學物質還應提交化學安全報告用于評估化學品對人類健康和環境的危害。REACH法規的實施將迫使我國所有向歐盟出口化學品的企業在規定日期之前向歐盟化學品管理署通報并且注冊。對于截止日期后沒有完成注冊的化學品將不能對歐盟出口，這對我國的化學品工業帶來了巨大的沖擊。根據REACH法規附錄七、附錄八以及附錄九的規定，化學品注冊時必須提供包括物質自燃溫度在內的數十項基礎物理化學數據。所以我國化學品出口商要想順利地完成化學品的注冊，就必須提供物質的自燃溫度等數十項數據指標。

如何快速準確地完成各種物質特別是液體危險化學品的自燃溫度的測定是未來我國化學品出口歐盟的一項重要任務。液體危險化學品自燃溫度是指檢測儀燃燒室內化學品發生自燃時的溫度，故溫度檢測是整個液體危險化學品自燃溫度檢測儀的核心部分。

1 溫度檢測電路總體規劃

本設計中采用溫度傳感器來測量溫度，這樣就把溫度信號轉化成電壓信號[1]。傳感器傳出來的電壓信號非常弱小，故需要設計放大電路來把傳感器傳出來的電壓信號放大調理到能夠被A/D轉換器處理的電壓信號范圍[2-3]。A/D轉換電路的作用則是將模擬信號轉化成能夠被單片機處理的數字信號。圖1為溫度檢測原理框圖。

圖1 溫度檢測原理框圖

Fig.1 Schematic diagram of temperature detection

2 硬件電路

2.1 溫度傳感器的選擇

溫度是表征物體中粒子能量的物理量，沒有辦法直接測量。所以我們一般先測量物質中與溫度有特定函數關系的某些特征參數(如電阻)，然后通過該函數關系間接求得溫度。熱電阻和熱電偶是工業中最常用的溫度傳感器。結合熱電阻、熱電偶溫度傳感器的特點，本儀器對測溫范圍的要求(0～600 ℃)以及對市場上熱電阻、熱電偶溫度傳感器的比對，最終選用K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶作為液體危險化學品自燃溫度檢測儀的測溫傳感器[4-5]。

2.2 信號調理電路

由于儀器的測溫傳感器選擇了K型熱電偶，且儀器的測溫范圍為0～600 ℃，因此根據K型熱電偶的分度表可知，該熱電偶產生的熱電勢范圍為0～24.9 mV。而本設計所選用的A/D轉換器所能接受的電壓范圍是0～10 V，所以需要信號調理電路來對熱電偶信號進行放大。本文設計兩級信號放大電路，初級信號放大電路的作用是將毫伏級的熱電偶信號放大到伏級，次級信號放大電路的作用是將初級放大后的信號電壓范圍調整到0～10 V之間。

2.2.1 初級放大電路

初級信號放大電路的作用是將毫伏級的熱電偶信號放大到伏級，故需要運算放大器。同時，熱電偶冷端溫度需要補償。綜合考慮這兩個因素，我們選擇AD595熱電偶放大器作為初級放大電路的放大芯片。

AD595是由美國模擬器公司生產的一種適用于K型熱電偶并帶冷端補償的熱電偶放大器，它將熱電偶冷端補償器和信號放大器集成在一塊芯片上，具有冷端冰點補償和信號放大雙重功能[6]。

熱電偶的輸入熱電勢與AD595的實際輸出電壓之間的函數關系如式(1)所示。

AD595輸出電壓=(K型熱電勢+11 μV)×247.3

(1)

由AD595所組成的初級放大電路圖如圖2所示。

圖2 初級放大電路圖

AD595熱電偶放大器采用+15 V單電源供電方式，K型熱電偶的電壓信號從引腳1、14輸入后從引腳9出來。引腳1接地是為了使AD595熱電偶放大器內部輸入級晶體管的偏置電流流到地[7]。如果沒有這條通道，這些偏置電流將會使輸入級晶體管進入截止，從而導致輸出錯誤。引腳12將熱電偶的斷偶信號接到單片機的外部中斷請求輸入端，使單片機以中斷方式來響應斷偶信號。在溫度變化范圍內(0～600 ℃)，熱電偶所產生的熱電勢范圍為0～24.9 mV。根據式(1)可知，熱電偶熱電勢經過初級放大電路放大后，電壓范圍為0.027～6.16 V。

2.2.2 次級放大電路

次級放大電路的作用是根據測溫范圍進行調零和調滿，使輸出電壓范圍在0～10 V之間。次級放大電路圖如圖3所示，電路是由運算放大器LM358及輔助電路構成。

圖3 次級放大電路圖

運算放大器LM358內部具有兩個獨立的高增益運算放大器，適合電壓范圍很寬的單雙電源。該電路是一個帶有正向偏置的反向放大電路，電阻R2和R4連接反向輸入端,以構成反向放大電路，電阻R1和R3連接正向輸入端，以提供5R3/(R1+R3)的偏置電流。在電路的輸出端設二極管1N5819，以保證輸出電壓范圍在0～10 V之間，從而保護后面的A/D轉換電路[8]。

放大電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關系式如式(2)所示。

(2)

初級放大電路的輸出電壓范圍為0.027～6.16 V，而初級放大電路的輸出電壓就是次級放大電路的輸入電壓。根據式(2)可知，次級放大電路的輸出電壓范圍為0.042 3～9.977 8 V，符合A/D轉換器所能接受的電壓范圍。

2.3 A/D轉換電路

A/D轉換電路的作用是將電壓信號轉化為單片機能夠處理的數字信號，選用AD574A作為A/D轉換芯片，芯片AD574A與單片機的連接如圖4所示。

AD574A的BIP OFF端的接法決定了A/D轉換器采用單極性電壓輸入的方法，可以對0～10 V或者0～20 V的模擬電壓進行轉換[9]。由于8031單片機是8位微處理器，而AD574A是進行12位A/D轉換，所以先將數字量輸出線引腳DB11～DB4連接到單片機的P0.7～P0.0引腳。再將DB3～DB0連接到單片機的P0.7～P0.4引腳，單片機讀數時分兩次讀取數據結果。當引腳A0處于低電平0時,先輸出高8位數據，當引腳A0處于高電平1時,再輸出低4位數據。AD574A引腳2接地，則說明它永遠處于低電平0，表示單片機需要分兩次從AD574A中讀取A/D轉換后的數字量。單片機引腳16與17通過74LS00與非門與AD574A的CE端相連，使AD574A在啟動轉換與結果輸出時，CE端處于高電平狀態[10]。AD574A的STS端與單片機的P1.0引腳連接，通過查詢法讀取結果。由于AD574A內部具有轉換時鐘，所以A/D轉換電路中不需要再外接時鐘[11]。

圖4 AD574A與單片機接口

3 結束語

結合液體危險化學品自燃溫度檢測儀對溫度檢測的要求，設計并研制了基于熱電偶的高精度溫度檢測電路。它符合測溫范圍廣、精度高的要求，能夠有效地

將液體危險化學品自燃溫度檢測儀燃燒室內的溫度檢測出來并送給單片機處理。同時，該溫度檢測電路設計原理與方法也可以廣泛應用于其他溫度檢測系統中。

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科技期刊關鍵詞和引言的撰寫

關鍵詞是論文的檢索標志，是表達文獻主題概念的自然語言詞匯，一般是詞和詞組。

科技論文的關鍵詞是從其題名、摘要和正文中選出來的。關鍵詞包括3部分：1)敘詞(正式主題詞)，經過規范化的并收入主題詞表中的詞或詞組；2)非正式主題詞(詞表中的上位詞+下位詞+替代詞)；3)自由詞(標引需要但主題詞表中找不到的詞)。

每篇論文中應專門列出3～8個關鍵詞，其中敘詞應盡可能多一些。關鍵詞作為論文的組成部分，置于摘要段之后。

引言又稱前言或緒論，是論文整體的有機組成部分。引言寫在正文之前，屬于整篇論文的引論部分。它的作用是向讀者初步介紹文章內容。

引言要寫的自然、概況、簡潔、確切。引言中要寫的內容大致有如下幾項：1)研究的理由、目的和背景 ；2)理論依據、實驗基礎和研究方法；3)預期的成果及其作用和意義。

引言的寫作要求是：1)開門見山，不饒圈子。注意一起筆就切題，不能鋪墊太遠；2)言簡意賅，突出重點；3)尊重科學，不落俗套。

引言中要求寫的內容較多，而篇幅有限，這就需要根據研究課題的具體情況確定闡述重點。共知的、前人文獻中已有的不必細寫，主要寫好研究的理由和目的，使讀者對論文有一個總體的了解。

Design of Self-ignition Temperature Detecting Circuit for Hazardous Liquid Chemicals

The high accurate temperature detecting circuit based on K-type thermocouple is introduced. It is used for detecting the temperature inside the combustion chamber of the self-ignition temperature detector for hazardous liquid chemicals. The experiments show that the circuit meets the requirements of wide range and high accuracy for such detector. In addition, the design principle and method of this temperature detecting circuit can also be widely used in other temperature detection systems.

Hazardous liquid chemicals Self-ignition temperature Detector Thermocouple High-accuracy Temperature detecting circuit

國家質檢總局科研計劃基金資助項目(編號：2011IK195)。

華偉(1990-)，男，現為中南林業科技大學機械工程專業在讀碩士研究生；主要從事非標設計與研究。

TH811

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504026

修改稿收到日期：2014-09-18。