姜 華 司念朋 劉建瓴 李炳峰

（廣東出入境檢驗檢疫局 廣東廣州 510623）

1 前言

熱電偶由于具有結構簡單、制造容易、測量方便等優(yōu)點，可以在-270℃-2800℃的廣泛溫區(qū)進行測量，故在檢測類實驗室溫度測量領域得到廣泛應用。但是，要得到正確的測量結果，必須認識了解熱電偶的特性和正確使用，特別是熱電偶測溫端的焊接問題，否則將會在測量中帶來很大的誤差。本文從檢測實驗室實際出發(fā)，設計了一種基于脈沖寬度調制（PWM）電流控制的熱電偶碰焊機。

2 檢測實驗室委員會（CTL）決議對熱電偶焊接的要求

熱電偶的測量原理基于金屬導體的熱電效應[1]，將A、B兩種不同的導體，一端焊接，另一端連接成閉合回路，當兩端有溫差時，回路就產生熱電動勢，而這兩種不同導體的組合稱為熱電偶。通常把高溫端叫做熱端（測溫端），低溫端叫做冷端。

CTL運行程序文件CTL-OP 108要求使用熱電偶的實驗室人員遵循以下程序（詳見圖1）：

（1）剝離內層絕緣距離熱電偶金屬焊接點頂端約1.5mm；

（2）如果有外層絕緣，剝離外層絕緣距離熱電偶金屬焊接點頂端15mm；

（3）熱電偶的金屬頂端必須單點焊接，其他可靠和牢固連接熱電偶的方法應首先滿足CTL決議。

圖1 CTL-OP 108對熱電偶焊接的要求

此外，CTL-OP 108要求實驗室使用線徑為0.320mm（28AWG）或0.254mm（30AWG）的熱電偶[2]；CTL-OP 109要求使用公差1級的J型、K型和T型熱電偶進行CB項目的測試[3]。

2.1 實驗室焊接熱電偶的常用方法

市面上常見可用于熱電偶的焊接機有電容儲能式電阻焊接機、氫氧焰熔焊機、氬弧點焊機等，這些類型的焊接機應用于檢測實驗室對熱電偶的焊接工作時都有各自的優(yōu)缺點。電容儲能式電阻焊接機利用電容放電產生瞬時高溫原理工作，缺點是焊接電流往往不可控；氫氧焰熔焊機利用氫氧焰的高溫完成焊接工作，但會熔化或引燃熱電偶絕緣；氬弧點焊機在電弧焊的周圍通上氬氣，將空氣隔離在焊區(qū)之外，以防止焊區(qū)的氧化，但焊接點容易引入其他金屬雜質，也會會熔化熱電偶絕緣。除此之外，這些設備通常價格較高且沉重，不利于檢測實驗室日常頻繁的移動焊接操作。

由于CTL-OP 108要求檢測實驗室使用的熱電偶線徑較小，需要的焊接電流亦較小，通常為10A以下。因此，大多檢測實驗室考慮到設備成本投入和操作便捷性問題，使用碰焊發(fā)和電解質法兩種簡單低廉的方式焊接熱電偶（見圖2）。

圖2 實驗室焊接熱電偶的常用方法

這兩種方法焊接熱電偶的本質都是以熱電偶金屬絲作為導體短路電源兩極，產生瞬時高溫以焊接構成熱電偶的兩種金屬絲。碰焊法工作電壓為直流24-35V，電解質法工作電壓為交流120-170V。碰焊法與電容儲能式電阻焊接機類似，因其使用安全特低電壓，且焊接時無需把熱電偶冷端從設備上卸載而更被大多數實驗室采用。但存在以下弊端：①焊接電流不可控，熱電偶焊接端很難形成直徑為線徑兩倍的球形焊接體；②無保護電路，容易燒毀電源電路；③碰焊法電極屬于易觸及帶電部件，蓄積在電容C中的電量不符合IEC 60065-1第8.1.4條的要求。電解質法本身使用非安全特低電壓，操作人員有觸電危險。

3 基于PWM電流控制的熱電偶焊接機設計

由上述分析可知，實驗室常見熱電偶焊接方法的主要弊端為焊接電流不可控，短路電源時焊接電流呈沖擊響應，以及電容儲能放電對操作人員的安全影響。為了克服以上缺點，本文設計了一種基于PWM電流控制的熱電偶焊接機，其系統(tǒng)原理如圖3。

圖3 系統(tǒng)原理

本設計使用AT89C2051作為控制芯片，通過計時器中斷產生PWM信號控制焊接電流，焊接電流控制電路如圖4所示。其中，MOC3052是過零觸發(fā)可控硅輸出型光耦，用于控制電路與焊接電路的隔離和雙向可控硅BTA 16的驅動。R2由線電壓峰值VP和光耦的重復浪涌電流峰值ITSM決定，R2=VP/ ITSM。

圖4 焊接電流控制電路

經試驗，線徑為0.320mm（28AWG）或0.254mm（30AWG）的熱電偶最佳焊接電流約為8A，本設計下PWM信號的占空比為18%（詳見圖5）。PWM信號的周期和占空比與電路中使用的電容和所需焊接電流有關，遵循以下公式[4]：

圖5 PWM占空比控制信號

為了防止碰焊機在使用后殘留在電容C中的電量對操作人員造成電擊的可能，本設計提供了電荷消除電路，如圖6。R3為1歐10瓦的功率電阻，通過單片機控制繼電器J1的脈沖吸合能徹底釋放電容C中的電量。

圖6 電荷消除電路

4 結論

通過對實驗室焊接熱電偶的常用方法分析，本文設計了一種低成本、焊接電流可控、使用安全的熱電偶焊接機，配合特殊的熱電偶剝線刀具可焊接出滿足CTL-OP 108要求的熱電偶熱，是檢測實驗室理想的熱電偶焊接工具。

［1］ 董愛華, 李良.《傳感器原理》教材中熱電偶回路電勢方程的探討[J].中國西部科技, 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］ 邱關源.電路[M].第5版.北京: 高等教育出版社, 2006: 126-129.