基于脉冲宽度调制电流控制的热电偶碰焊机设计

姜 华 司念朋 刘建瓴 李炳峰

（广东出入境检验检疫局 广东广州 510623）

1 前言

热电偶由于具有结构简单、制造容易、测量方便等优点，可以在-270℃-2800℃的广泛温区进行测量，故在检测类实验室温度测量领域得到广泛应用。但是，要得到正确的测量结果，必须认识了解热电偶的特性和正确使用，特别是热电偶测温端的焊接问题，否则将会在测量中带来很大的误差。本文从检测实验室实际出发，设计了一种基于脉冲宽度调制（PWM）电流控制的热电偶碰焊机。

2 检测实验室委员会（CTL）决议对热电偶焊接的要求

热电偶的测量原理基于金属导体的热电效应[1]，将A、B两种不同的导体，一端焊接，另一端连接成闭合回路，当两端有温差时，回路就产生热电动势，而这两种不同导体的组合称为热电偶。通常把高温端叫做热端（测温端），低温端叫做冷端。

CTL运行程序文件CTL-OP 108要求使用热电偶的实验室人员遵循以下程序（详见图1）：

（1）剥离内层绝缘距离热电偶金属焊接点顶端约1.5mm；

（2）如果有外层绝缘，剥离外层绝缘距离热电偶金属焊接点顶端15mm；

（3）热电偶的金属顶端必须单点焊接，其他可靠和牢固连接热电偶的方法应首先满足CTL决议。

图1 CTL-OP 108对热电偶焊接的要求

此外，CTL-OP 108要求实验室使用线径为0.320mm（28AWG）或0.254mm（30AWG）的热电偶[2]；CTL-OP 109要求使用公差1级的J型、K型和T型热电偶进行CB项目的测试[3]。

2.1 实验室焊接热电偶的常用方法

市面上常见可用于热电偶的焊接机有电容储能式电阻焊接机、氢氧焰熔焊机、氩弧点焊机等，这些类型的焊接机应用于检测实验室对热电偶的焊接工作时都有各自的优缺点。电容储能式电阻焊接机利用电容放电产生瞬时高温原理工作，缺点是焊接电流往往不可控；氢氧焰熔焊机利用氢氧焰的高温完成焊接工作，但会熔化或引燃热电偶绝缘；氩弧点焊机在电弧焊的周围通上氩气，将空气隔离在焊区之外，以防止焊区的氧化，但焊接点容易引入其他金属杂质，也会会熔化热电偶绝缘。除此之外，这些设备通常价格较高且沉重，不利于检测实验室日常频繁的移动焊接操作。

由于CTL-OP 108要求检测实验室使用的热电偶线径较小，需要的焊接电流亦较小，通常为10A以下。因此，大多检测实验室考虑到设备成本投入和操作便捷性问题，使用碰焊发和电解质法两种简单低廉的方式焊接热电偶（见图2）。

图2 实验室焊接热电偶的常用方法

这两种方法焊接热电偶的本质都是以热电偶金属丝作为导体短路电源两极，产生瞬时高温以焊接构成热电偶的两种金属丝。碰焊法工作电压为直流24-35V，电解质法工作电压为交流120-170V。碰焊法与电容储能式电阻焊接机类似，因其使用安全特低电压，且焊接时无需把热电偶冷端从设备上卸载而更被大多数实验室采用。但存在以下弊端：①焊接电流不可控，热电偶焊接端很难形成直径为线径两倍的球形焊接体；②无保护电路，容易烧毁电源电路；③碰焊法电极属于易触及带电部件，蓄积在电容C中的电量不符合IEC 60065-1第8.1.4条的要求。电解质法本身使用非安全特低电压，操作人员有触电危险。

3 基于PWM电流控制的热电偶焊接机设计

由上述分析可知，实验室常见热电偶焊接方法的主要弊端为焊接电流不可控，短路电源时焊接电流呈冲击响应，以及电容储能放电对操作人员的安全影响。为了克服以上缺点，本文设计了一种基于PWM电流控制的热电偶焊接机，其系统原理如图3。

图3 系统原理

本设计使用AT89C2051作为控制芯片，通过计时器中断产生PWM信号控制焊接电流，焊接电流控制电路如图4所示。其中，MOC3052是过零触发可控硅输出型光耦，用于控制电路与焊接电路的隔离和双向可控硅BTA 16的驱动。R2由线电压峰值VP和光耦的重复浪涌电流峰值ITSM决定，R2=VP/ ITSM。

图4 焊接电流控制电路

经试验，线径为0.320mm（28AWG）或0.254mm（30AWG）的热电偶最佳焊接电流约为8A，本设计下PWM信号的占空比为18%（详见图5）。PWM信号的周期和占空比与电路中使用的电容和所需焊接电流有关，遵循以下公式[4]：

图5 PWM占空比控制信号

为了防止碰焊机在使用后残留在电容C中的电量对操作人员造成电击的可能，本设计提供了电荷消除电路，如图6。R3为1欧10瓦的功率电阻，通过单片机控制继电器J1的脉冲吸合能彻底释放电容C中的电量。

图6 电荷消除电路

4 结论

通过对实验室焊接热电偶的常用方法分析，本文设计了一种低成本、焊接电流可控、使用安全的热电偶焊接机，配合特殊的热电偶剥线刀具可焊接出满足CTL-OP 108要求的热电偶热，是检测实验室理想的热电偶焊接工具。

［1］ 董爱华, 李良.《传感器原理》教材中热电偶回路电势方程的探讨[J].中国西部科技, 2012, 2(11): 1-2.

［2］ CTL-OP 108-Ed.1，Laboratory Procedure for Preparation,Attachment, Extension and Use of Thermocouples[S].

［3］ CTL-OP 109-Ed.1，Laboratory Procedure For Acceptance of Thermocouple Wire[S].

［4］ 邱关源.电路[M].第5版.北京: 高等教育出版社, 2006: 126-129.