液体危险化学品自燃温度检测电路的设计

华 伟 陈 飞 李忠海 吴庆定

(中南林业科技大学材料成形技术研究所，湖南 长沙 410004)

液体危险化学品自燃温度检测电路的设计

华 伟 陈 飞 李忠海 吴庆定

(中南林业科技大学材料成形技术研究所，湖南 长沙 410004)

介绍了一种基于K型热电偶传感器的高精度温度检测电路，用于液体危险化学品自燃温度检测仪燃烧室内温度的检测。试验表明，该电路满足液体危险化学品自燃温度检测仪对其测温范围广、精度高的要求。同时，该温度检测电路的设计原理与方法也可以广泛应用于其他温度检测系统中。

液体危险化学品 自燃温度 检测仪 热电偶 高精度 温度检测电路

0 引言

随着化学工业的快速发展，我国危险化学品的产量和贸易量呈逐年增加的趋势，因国外化学品管理制度的限制而产生的贸易摩擦问题日益凸显。欧盟在2007年6月1日正式实施《化学品注册、评估、许可和限制》(REACH法规)。REACH法规规定在2018年6月1日之前欧盟年产量或进口量超过1 t的所有化学物质需要注册，年产量或进口量10 t以上的化学物质还应提交化学安全报告用于评估化学品对人类健康和环境的危害。REACH法规的实施将迫使我国所有向欧盟出口化学品的企业在规定日期之前向欧盟化学品管理署通报并且注册。对于截止日期后没有完成注册的化学品将不能对欧盟出口，这对我国的化学品工业带来了巨大的冲击。根据REACH法规附录七、附录八以及附录九的规定，化学品注册时必须提供包括物质自燃温度在内的数十项基础物理化学数据。所以我国化学品出口商要想顺利地完成化学品的注册，就必须提供物质的自燃温度等数十项数据指标。

如何快速准确地完成各种物质特别是液体危险化学品的自燃温度的测定是未来我国化学品出口欧盟的一项重要任务。液体危险化学品自燃温度是指检测仪燃烧室内化学品发生自燃时的温度，故温度检测是整个液体危险化学品自燃温度检测仪的核心部分。

1 温度检测电路总体规划

本设计中采用温度传感器来测量温度，这样就把温度信号转化成电压信号[1]。传感器传出来的电压信号非常弱小，故需要设计放大电路来把传感器传出来的电压信号放大调理到能够被A/D转换器处理的电压信号范围[2-3]。A/D转换电路的作用则是将模拟信号转化成能够被单片机处理的数字信号。图1为温度检测原理框图。

图1 温度检测原理框图

Fig.1 Schematic diagram of temperature detection

2 硬件电路

2.1 温度传感器的选择

温度是表征物体中粒子能量的物理量，没有办法直接测量。所以我们一般先测量物质中与温度有特定函数关系的某些特征参数(如电阻)，然后通过该函数关系间接求得温度。热电阻和热电偶是工业中最常用的温度传感器。结合热电阻、热电偶温度传感器的特点，本仪器对测温范围的要求(0～600 ℃)以及对市场上热电阻、热电偶温度传感器的比对，最终选用K型(镍铬-镍硅)热电偶作为液体危险化学品自燃温度检测仪的测温传感器[4-5]。

2.2 信号调理电路

由于仪器的测温传感器选择了K型热电偶，且仪器的测温范围为0～600 ℃，因此根据K型热电偶的分度表可知，该热电偶产生的热电势范围为0～24.9 mV。而本设计所选用的A/D转换器所能接受的电压范围是0～10 V，所以需要信号调理电路来对热电偶信号进行放大。本文设计两级信号放大电路，初级信号放大电路的作用是将毫伏级的热电偶信号放大到伏级，次级信号放大电路的作用是将初级放大后的信号电压范围调整到0～10 V之间。

2.2.1 初级放大电路

初级信号放大电路的作用是将毫伏级的热电偶信号放大到伏级，故需要运算放大器。同时，热电偶冷端温度需要补偿。综合考虑这两个因素，我们选择AD595热电偶放大器作为初级放大电路的放大芯片。

AD595是由美国模拟器公司生产的一种适用于K型热电偶并带冷端补偿的热电偶放大器，它将热电偶冷端补偿器和信号放大器集成在一块芯片上，具有冷端冰点补偿和信号放大双重功能[6]。

热电偶的输入热电势与AD595的实际输出电压之间的函数关系如式(1)所示。

AD595输出电压=(K型热电势+11 μV)×247.3

(1)

由AD595所组成的初级放大电路图如图2所示。

图2 初级放大电路图

AD595热电偶放大器采用+15 V单电源供电方式，K型热电偶的电压信号从引脚1、14输入后从引脚9出来。引脚1接地是为了使AD595热电偶放大器内部输入级晶体管的偏置电流流到地[7]。如果没有这条通道，这些偏置电流将会使输入级晶体管进入截止，从而导致输出错误。引脚12将热电偶的断偶信号接到单片机的外部中断请求输入端，使单片机以中断方式来响应断偶信号。在温度变化范围内(0～600 ℃)，热电偶所产生的热电势范围为0～24.9 mV。根据式(1)可知，热电偶热电势经过初级放大电路放大后，电压范围为0.027～6.16 V。

2.2.2 次级放大电路

次级放大电路的作用是根据测温范围进行调零和调满，使输出电压范围在0～10 V之间。次级放大电路图如图3所示，电路是由运算放大器LM358及辅助电路构成。

图3 次级放大电路图

运算放大器LM358内部具有两个独立的高增益运算放大器，适合电压范围很宽的单双电源。该电路是一个带有正向偏置的反向放大电路，电阻R2和R4连接反向输入端,以构成反向放大电路，电阻R1和R3连接正向输入端，以提供5R3/(R1+R3)的偏置电流。在电路的输出端设二极管1N5819，以保证输出电压范围在0～10 V之间，从而保护后面的A/D转换电路[8]。

放大电路的输出电压与输入电压之间的关系式如式(2)所示。

(2)

初级放大电路的输出电压范围为0.027～6.16 V，而初级放大电路的输出电压就是次级放大电路的输入电压。根据式(2)可知，次级放大电路的输出电压范围为0.042 3～9.977 8 V，符合A/D转换器所能接受的电压范围。

2.3 A/D转换电路

A/D转换电路的作用是将电压信号转化为单片机能够处理的数字信号，选用AD574A作为A/D转换芯片，芯片AD574A与单片机的连接如图4所示。

AD574A的BIP OFF端的接法决定了A/D转换器采用单极性电压输入的方法，可以对0～10 V或者0～20 V的模拟电压进行转换[9]。由于8031单片机是8位微处理器，而AD574A是进行12位A/D转换，所以先将数字量输出线引脚DB11～DB4连接到单片机的P0.7～P0.0引脚。再将DB3～DB0连接到单片机的P0.7～P0.4引脚，单片机读数时分两次读取数据结果。当引脚A0处于低电平0时,先输出高8位数据，当引脚A0处于高电平1时,再输出低4位数据。AD574A引脚2接地，则说明它永远处于低电平0，表示单片机需要分两次从AD574A中读取A/D转换后的数字量。单片机引脚16与17通过74LS00与非门与AD574A的CE端相连，使AD574A在启动转换与结果输出时，CE端处于高电平状态[10]。AD574A的STS端与单片机的P1.0引脚连接，通过查询法读取结果。由于AD574A内部具有转换时钟，所以A/D转换电路中不需要再外接时钟[11]。

图4 AD574A与单片机接口

3 结束语

结合液体危险化学品自燃温度检测仪对温度检测的要求，设计并研制了基于热电偶的高精度温度检测电路。它符合测温范围广、精度高的要求，能够有效地

将液体危险化学品自燃温度检测仪燃烧室内的温度检测出来并送给单片机处理。同时，该温度检测电路设计原理与方法也可以广泛应用于其他温度检测系统中。

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科技期刊关键词和引言的撰写

关键词是论文的检索标志，是表达文献主题概念的自然语言词汇，一般是词和词组。

科技论文的关键词是从其题名、摘要和正文中选出来的。关键词包括3部分：1)叙词(正式主题词)，经过规范化的并收入主题词表中的词或词组；2)非正式主题词(词表中的上位词+下位词+替代词)；3)自由词(标引需要但主题词表中找不到的词)。

每篇论文中应专门列出3～8个关键词，其中叙词应尽可能多一些。关键词作为论文的组成部分，置于摘要段之后。

引言又称前言或绪论，是论文整体的有机组成部分。引言写在正文之前，属于整篇论文的引论部分。它的作用是向读者初步介绍文章内容。

引言要写的自然、概况、简洁、确切。引言中要写的内容大致有如下几项：1)研究的理由、目的和背景 ；2)理论依据、实验基础和研究方法；3)预期的成果及其作用和意义。

引言的写作要求是：1)开门见山，不饶圈子。注意一起笔就切题，不能铺垫太远；2)言简意赅，突出重点；3)尊重科学，不落俗套。

引言中要求写的内容较多，而篇幅有限，这就需要根据研究课题的具体情况确定阐述重点。共知的、前人文献中已有的不必细写，主要写好研究的理由和目的，使读者对论文有一个总体的了解。

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

国家质检总局科研计划基金资助项目(编号：2011IK195)。

华伟(1990-)，男，现为中南林业科技大学机械工程专业在读硕士研究生；主要从事非标设计与研究。

TH811

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504026

修改稿收到日期：2014-09-18。