（电力系统及其自动化专业论文）温度校准仪电气部分研究与实现.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作槲：诽扬指导教懒：拟 日期： 训厂多夕 7 日期乞，厂厂g 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部f - j 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 嚣文骂i 膨省师笏，妒 西华大学硕士学位论文 摘要 在现代的生产实践中，控制仪表和温度显示已广泛用于社会生产和生活之中，温度 的测试技术已成了一个重要的课题，温度的准确测量是工厂高产、高效和安全的前提条 件。温度传感器传来的信号有模拟信号和数字信号之分，都是通过在固化在芯片中的程 序或者调理电路将所测的温度转化成模拟信号或者数字信号。因此，在测试过程中，对 温度仪表的校正、调整和维护是非常重要的。 温度校准仪有液体和干体式温度校准仪，干体式温度校准仪的优点是：温度的范围 较广，体积小，降温升温快，重量轻，现场使用方便。所以，本文对测量范围在5 0 - 4 0 0 干体式温度校准仪做了较深的研究。 由于温度校准仪的炉体是为了给标准热电阻和被校准温度传感器提供一个稳定的 温度场，故对温度场的恒温性要求较高，本设计采用p w m 控制的直流加热方式能较好 的满足此要求。p w m 控制的直流加热方式是通过调节开关管导通的占空比来改变输出 直流电压的大小，从而改变了流过加热丝的电流，改变炉体的温度，达到较高的温度稳 定性要求。同样，为了准确的测量温度，本文采用了铂电阻p t l 0 0 作为温度传感器，采 用四线制测量法减少导线电阻引起的误差。铂电阻p t l 0 0 的温度变化范围为5 0 4 0 0 时所对应的温度为1 1 9 4 - - 2 4 7 0 4 欧姆，使用l m 3 1 7 和l m 3 3 7 构成一个1 0 m a 的恒流 源流过p t l 0 0 ，产生的电压信号经模拟滤波后送入a d u c 8 4 5 的a d 的输入端。a d u c 8 4 5 内部集成了2 4 位的a d 转换器，被称为微转换器( m i c r o c o n v e r t e r ) ，采用a d u c 8 4 5 可以简化电路，提高精度和降低成本。 本文改进了b u c k 变换器，增加了缓冲电路，解决了主续流二极管的反向恢复问题。 硬件电路上还包括温度检测电路、带过流保护和过压保护的e x b 8 4 1 驱动电路、电源电 路、人机接口电路、控制器电路。软件部分主要包括基于模糊p i d 的温控算法。 软件上采用c c 抖高级语言编写，在k e i lc7 0 环境下开发调试完成。在软件硬件 设计过程中，进行了各种改进和测试工作，并通过软件和硬件的联合调试和改进，功能 和精度上有了较大的提高。 最后总结全文，对本设计的不足和需提高的地方加以说明，展望温度校准仪的前景 和未来。 关键词：a d u c 8 4 5 ；e x b 8 4 1 ；p w m ；温度校准仪；b u c k 变换器 a b s t r a c t i np r o d u c t i v ep r a c t i c ei nt h em o d e m ，c o n t r o li n s t r u m e n ta n dt h et e m p e r a t u r ed i s p l a yh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h ep r o d u c t i o na n dl i f e ，t h et e s to f t e m p e r a t u r et e c h n o l o g yh a sb e c o m ea n i m p o r t a n ts u b j e c t ，a n dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t sa r et h ep r e c o n d i t i o no fa c c u r a t e ，e f f i c i e n t a n dp r o d u c t i v eo ft h ef a c t o r ys a f e t h es i g n a lo ft h et e m p e r a t u r es e n s o ri sa n a l o gs i g n a la n d d i g i t a ls i g n a l ，a l li nw h i c hp r o g r a m so rt h ec i r c u i ti nt h ec h i pw i l lh a v ey o u rt e m p e r a t u r ei n t o t h e r e f o r e ，t h ea d j u s t m e n t ，c o r r e c t i o n sa n dm a i n t e n a n c eo ft h em o i s t u r ei n s t r u m e n ti sv e r y i m p o r t a n ti nt h e t e s t t h ef u r n a c eb o d yo ft h et e m p e r a t u r ec a l i b r a t o ri sl i q u i da n ds o l i d t h ea d v a n t a g eo ft h e s o l i dt e m p e r a t u r ei saw i d er a n g eo f t e m p e r a t u r e ，s m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h ta n df a s th e a t i n g - u pa n dc o o l i n g s o ，t h i st e x td e e p l yr e s e a r c hi n t ot h et e m p e r a t u r ec a l i b r a t o rf o rm e a s u r i n g r a n g e5 0t o4 0 0 ( 2 b e c a u s et h ef u m a c eb o d yo ft h et e m p e r a t u r ec a l i b r a t o ri st h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ef i e l d i nw h i c has t a n d a r dr e s i s t a n c ea n dac a li b r a t e dt e m p e r a t u r es e n s o ra r e t h et e m p e r a t u r ef i e l d h a st h em o r ec o n s t a n td e m a n d t h i sd e s i g n m e n ta d o p t sp w m h e a t i n gw a y ，i ts a t i s f y st h i s b e t t e rr e q u i r e m e n t ，w h i c hm a k e st h ei n p u td cv o l t a g et ot h eo u t p u td cv o l t a g e p w mh e a t i n g w a ya d j u s t sd u t yr a t i ot oc h a n g et h eo u t p u to ft h ed cv o l t a g e ，t h u sc h a n g ec u r r e n to fe l e c t r i c w i r e ，a n dt e m p e r a t u r eo ft h ef u r n a c eb o d y ，t oa c h i e v es t a b i l i t y f o ra c c u r a t em e a s u r i n g t e m p e r a t u r e ，t h et e x ta d o p t e dp t10 0a st h et e m p e r a t u r es e n s o ra n du s e df o u rl i n e so ft h e r e s i s t a n c et or e d u c ee r r o r t h et e m p e r a t u r er a n g eo fp t l0 0i sf r o m 5 0t o4 0 0 ，w h i c h c o r r e s p o n df r o m1 19 4 - - - 2 4 7 0 4 0 h mi ns e q u e n c e a g oa n a l o gs i g n a l so fp t10 0c o n v e r t e dt o d i g i t a ls i g n a l ，l m 3 i7a n d1 m 3 3 7c o n s t i t u t e sac u r r e n ts o u r c eo f10 m a ，w h i c hf i l t e r e dd i r e c t l y c o n n e c t st ot h ea do ft h ea d u c 8 4 5 a d u c 8 4 5h a st h ea dc o n v e r t e ro f2 4b i t , t os i m p l i f yt h e c i r c u i t , i m p r o v et h ea c c u r a c ya n dr e d u c ec o s t s t h i st e x ti m p r o v e st h eb u c kc o n v e r t e r , i n c r e a s e st h eb u f f e rc i r c u i ta n ds o l v e sd i o d e st h e p r o b l e m o fr e v e r s er e s t o r e a l s o ，h a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d e st h ed r i v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i to f t h eo v e rc u r r e n ta n do v e ，o l t a g eo fe x b 8 4 1 ，t h ec i r c u i tw h i c hd e t e c tt e m p e r a t u r e ，t h ep o w e r c i r c u i ta n dt h ec i r c u i to fm a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，w i t ht h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r es y s t e mw i t ha p i dc o n t r o l l e r t h i st e x ts e l e c t st h ec c + + h i g h l e v e ll a n g u a g e t h a ti s c o m p i l e da n dd e b u g g e di nk e i l c 7e n v i r o n m e n t i nd e s i g n i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r ep r o c e s s ，a l lk i n d so fi m p r o v e m e n t sa n d t e s t sa n dt h ec o m b i n a t i o nd e b u gw i t ht h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ed o n e ，s ot h ef u n c t i o n a l i t y a n dp r e c i s i o ni sal a r g e ri n c r e a s e i i 西华大学硕士学位论文 a tl a s t ，is u m m a r i z et h ew h o l et e x t ，i l l u s t r a t et h es h o r t a g ea n dl o o kf o r w a r dt op a n df u t u r eo ft h et e m p e r a t u r ec a l i b r a t o r k e yw o r d s ：a d u c 8 4 5 ；e x b 8 4 1 ；p w m ；t h eb u c kc o n v e r t e r i i i i l 1 1 2 1 2 温度校准仪的国内外现状与国际状况2 1 3 论文主要内容1 4 2 温度校准仪的测量原理5 2 1 概j 峦一5 2 2 测量方案的设计5 2 3 温度校准的原理5 2 4 测试方法6 2 5 温度的溯源性。7 3 温度校准仪的硬件结构和实现8 3 1 概述8 3 2 温度校准仪开关电源一次电路9 3 2 1 开关电源一次电路基本结构和工作原理9 3 2 2 开关电源一次电路改进1l 3 3 温度校准仪控制电路18 3 4 温度校准仪主电路19 3 4 1 控制器c p u 选型a d u c 8 4 5 芯片19 3 4 2 温度传感器电路2 1 3 5 温度校准仪开关电源的控制电路2 3 3 5 1 信号检测电路2 3 3 5 2 占空比信号产生电路2 5 3 5 3 缘栅极型晶体管及它对驱动电路的要求3 0 3 5 4e x b 8 4 1 特性、内部结构及应用3 l 3 5 5e x b 8 4 1 驱动电路图3 2 3 5 6 开关电源的电源电路3 4 i v 西华大学硕士学位论文 参考文献6 0 攻读硕士学位期间发表学术论文情况6 2 致谢6 3 v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的意义与目的 1 1 1 温度计量的基础 温度( t e m p e r a t u r e ) 是表征物体冷热程度的物理量，从微观上讲是物体分子热运动 的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的一些特性来间接测量，而用来度量物体温 度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点( 零点) 和测量温度的基本单位。目前 在国际上用得较多的温标有华氏温标( 下) 、摄氏温标( ) 、热力学温标涨) 和国际实用 温标。从分子运动论观点看，温度是物体分子平均平动动能的标志。温度是物体内分子 间平均动能的一种表现形式。分子运动越快，物体越热，即温度越高；分子运动越慢， 物体越冷，即温度越低。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别 分子来说，温度是没有意义的。温度分为热力学温度和热力学温标，热力学温度是按热 力学原理所确定的温度，热力学温标是以热力学第二定律为基础的温标。温度的单位有 开尔文和摄氏度，开尔文是热力学温度的单位，开尔文定义为水三相点( 水三相点：水、 冰和汽三相平衡共存时，其温度为2 7 3 1 6 k ( 0 0 1 ) 压强为6 0 9 1 4 p a 。) 热力学温度 的1 2 7 3 1 6 ，符号为k ，摄氏度是摄氏温度的单位，大小等于开尔文，符号为：。 温度的测量在许多工业生产和实验研究中是一个非常重要的研究课题，测量温度的 方法有两种，一种是非接触式、另一种是接触式。( 1 ) 非接触式测温特点是感温元件 不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可以避免接触式测温法的缺点，具 有较高的测温上限，测温原则上不受限制。此外，非接触式测温法热惯性小，在1 1 0 0 0 s ， 便测量运动物体的温度和快速变化的温度。由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间 的距离以及烟尘、水汽等其他的介质的影响，这种方法一般测温误差较大。( 2 ) 接触 式测量的主要特点是：测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行充分的热交换，最 后达到热平衡，因而产生了滞后。这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对 象的温度值。这种方法优点是直观可靠；缺点是感温元件影响被测温度场的分布，接触 不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生 不利影响，测量体还受到耐温材料的限制，不能应用于很高温度的测量。直接测量中， 测温元件分为热电阻和热电偶，热电阻是利用导体或则半导体的电阻值随温度的变化而 变化来测量温度的元件和仪表，热电偶是一对不同材料的导电体，其一端相连，感受被 测温度，另一端为参考点，连接到测量装置，按照热电效应，测量端与参考端温度之差 与热电势之间有一定的函数关系。基于以上两种温度测量的方法，被测物体温度的测量 温度校准仪电气部分研究与实现 都不准确，一定程度上偏离了实际值，给工业生产、实验研究和安全问题提出了巨大的 考验。 温度校准仪的定义：通过设定标准的校准温度后，将被校准的温度传感器和标准的 温度传感器放置在同一个温度场中，通过比较被校准的温度传感器和标准的温度传感器 的温度值，得出被校准温度系统和标准温度系统的差值，并将其溯源到标准所复现的温 度量值，达到校准的目的，这个仪器就称为温度校准仪。 1 1 2 温度校准的目的和意义 温度的校准是在规定的条件下，用一个可参考的温度标准，对包括参考物质在内的 测量器具的特性赋值，并确定其温度示值误差；将测量器具所指示或代表的温度量值， 按照校准链，将其溯源到标准所复现的温度量值。这样，在温度校准后，准确的温度和 有效地控制温度就保证了工业生产和实验研究低耗、高效、优质的安全生产。温度校准 达到目的：确定温度示值误差，并可确定温度是否在预期的允差范围之内；得出标称值 偏差的报告值，可调整测量器具或对示值加以修正；给任何标尺标记赋值或确定其他特 性值，给参考物质特性赋值；确保测量器给出的量值准确，实现溯源性。 随着科技的不断发展，许多行业中就需要对温度的监测和控制，各种温度计常需要 送到计量检定机构进行检定和校准，操作不便、周期长和费用高。常用温度计有玻璃水 银温度计、热电偶温度计和铂电阻温度计。而检定和校准时一般用油浴和水浴等恒温槽 作为恒温场，这类恒温槽的温度稳定性较高、均匀性较好，不易受到外界温度的影响， 但这类恒温槽的体积大、稳定时间长，根本无法满足现场快速检定和校准的需要。目前， 虽然国外成功研制了快速校准的各类干体校准仪，但他们价格较高。为了满足现场快速 校准的需要，本文在参考了国内外许多场式恒温、干体温度校验炉基础上，研制出了一 种温度校准仪。该仪器的均热块上有3 个温度计插孔，一个孔放置标准温度计，提供标 准温度，另两孔放置被校验温度计，可以同时校验两只温度计。这样提高了温度校准仪 的工作效率，不仅如此，还体积较小、重量较轻，便于到工作现场进行温度校准。 1 2 温度校准仪的国内外现状与国际状况 目前国内有很多计量站从事各种温度校准仪的计量和测试工作，但为了满足技术上 的要求，温度传感器多为进口器件，价格很贵，所以只能配备为数不多的几只。国家标 准物质研究中心对温度校准仪测试时，使用的也是为数不多的进口温度传感器来配以资 料显示完成。 西华大学硕士学位论文 国外对温度传感器如热电偶、热电阻等的校准都采用相似的方法【l 】，主要是从温度 场的稳定性和均匀性方面来评价。 目前在国外生产的温度校准仪精度较高、测量范围较宽的公司有美国的阿美特克公 司【2 】，阿美特克j o f r a 公司在1 9 8 0 年生产了世界上第一台干体式校准仪，并不断采用 新技术升级产品，它生产的j o f r aa t c 系列的温度校准仪把加热体分成了上下两个区 域，可以通过充分补偿被校准温度传感器引起的热量损失。j o f r aa t c 系列b 型温度 校准仪内置2 4 位的a d 转换器，可以高精度的测量被校传感器的输出信号，对热电阻、 热电偶和温度变换器等进行准确测量，直接显示温度值。它生产的型号r t c l 5 6 温度 范围是：3 0 至1 5 5 ，r t c l 5 7 ：温度范围是4 5 至1 5 5 ，r t c 7 0 0 ：温度范围是3 3 至7 0 0 ，r t c 1 5 6 1 5 7 精度高达0 0 4 ，r t c 7 0 0 精度达0 1 1 ( 配外接标准探头时) ， r t c 1 5 6 1 5 7 拥有极佳的稳定性：0 0 0 5 ，r t c 7 0 0 的稳定性0 0 0 8 。阿美特克j o f r a 公司生产的a s m 系列的多通道扫描仪有a s m 8 0 1 a b 、a s m 8 0 2 a b 和a s m 8 0 3 a b ， 都是八个通道，并提供扩展接口，系统还克连接3 台扫描仪，2 4 个通道；有l e m o 接 头、t c 接头、接线端子有三种连接方式，共计六个型号，热电阻、热电偶、电流、电 压、开关等高精度测量，采用真电阻测量方式，有效克服了e m f 和导线、接头产生的 影响，内置2 4 v 回路供电可以直接连接阿美特克干体炉，并提供参考p t l 0 0 传感器输 入通道，j o f r a c a l 自动校验软件，中文界面。 国内的有北京康斯特仪表科技股份有限公司，它生产的c s t 6 0 0 1 、c s t 6 0 0 2 和 c s t 6 0 0 3 便携温度校验仪，其中，c s t 6 0 0 3 便携温度校验仪，采用高稳定控温仪，均热 块采用特殊的抗氧化高温合金材料，该产品属国内首创，在技术上与国外先进技术保持 同步，在被检插入深度、水平温场、垂直温场等技术方面处于国际领先水平，具有无可 比拟的性能优势。其中以生温度在5 0 - - 8 5 0 的校验仪是世界唯一一款用超高温p t l 0 0 控温的，准确度高，波动度小。它可十分方便地、精确地产生所需温度，它具有体积小、 升温快、控温稳定、无污染等特点，可将温度传感器与仪表整体进行系统校验，因此它 非常适合工业现场或实验室使用。 在国外有一个通常使用干体式温度校准仪校准规范e a l 0 1 3 ，e a l 0 1 3 是由 e a ( e u r o p e a nc o - o p e r a t i o nf o ra c c r e d i t a t i o n ) 第二委员会根据“温度与一致性”专家组 提供的草案修订的干体式温度校准仪校准规范，于1 9 9 9 年1 1 月经e a 全体大会通过， 其目的是为了加强干体式温度校准仪的可比较性，为各国认证机构提供干体式温度校 准仪的最低要求，为实验室建立了操作规范和不确定评估提供了建议，e a 1 3 规定中某 些具体规定为： 的设计和控制电路的设计。主电路的基本结构和工作原理介绍了主结构的搭建和每个工 作过程的波形图。主电路设计中，包括整流部分设计和逆变器的设计，分别介绍了整流 电路的和逆变电路的参数运算和元件的确定，及对逆变电路的改进，增加了缓冲电路和 解决了主续流二极管的反向恢复问题。在控制电路上，包括a d u c 8 4 5 控制电路，温度 传感器电路，信号检测电路，p w m 信号的产生电路、驱动电路，保护电路，电源电路 和人机接口电路。 最后介绍了温度校准仪的模糊p i d 控制，包括模糊p i d 控制器的结构，以及设置语 言变量和隶属函数，建立模糊控制规则，确定模糊关系，模糊推理和解模糊得出p i d 的 各个系数，最后进行p i d 运算得出需要控制的频率，以及模糊p i d 控制器的仿真，以及 介绍了软件的主框架结构，模糊控制子程序和p i d 控制子程序，和实验结果分析，及提 出了需要改进的之处和对未来温度校准仪的研究发展做出技术展望。 = = 4 西华大学硕士学位论文 2 温度校准仪的测量原理 2 1 概述 炉体的温度精度是温度校准仪的最重要的指标，所以对炉体的设计的主要是对水平 温场和垂直温场均匀性要求较高，并且炉体的温度稳定性要求高，尽量不受外界干扰， 才能保证测量的炉体温度有较高的稳定的温度场。 2 2 测量方案的设计 为了保证炉体温度均匀恒定，本文把炉体分为上中下两部分，每部分放置一个加热 丝，在测量温度时，只测量一点的温度是不够准确的，所以我们设计炉体时设置了两个 温度采集点，分别在炉体上下两部分放置两个精度较高的铂热电阻。如图2 1 所示，图 中l 、2 为测温热电阻，3 、4 为加热丝，5 为被校准的传感器。 3 4 图2 1 炉体结构结构图 f i g 2 1t h ef r a m e w o ko f t h es t o v ec u t a w a y 在对炉体结构设计完成后，要考虑炉体的恒温问题，否则在测量上会带来很大的误 差。所以根据炉体外面设计一个绝热模型，即将外面用绝热棉做一层隔热保护，使用绝 热布将绝热棉束紧，这样，一个绝热性能好加热快的炉体就设计好了。 2 3 温度校准的原理 设定标准校准温度，将被校准的控温传感器和标准的传感器放置在恒温场的同一个 水平位置，通过读取被校准的测温系统的温度显示值和标准设定的温度值进行对比，得 出被校测温系统与设定温度的差值，从而达到校准温度的目的。 温度校准的原理f 3 】是：在设定标准的校准温度后，将被校准的温度传感器和标准的 温度传感器放置在同一个温度场中，通过比较被校准的温度传感器和标准的温度传感器 温度校准仪电气部分研究与实现 的温度值，得出被校准温度系统和标准温度系统的差值，达到校准的目的。温度校准仪 的输出是个温度信号源，校准仪在模拟各种电阻输出时的输出电阻应该遵照9 0 国际温 标( i t s 9 0 ) 标准，温度与电阻的关系应该符合j b t 8 6 2 2 1 9 9 7 供应工业铜电阻技术 条件及分度表中分度表的给出值，热电阻可以用电阻网络和模拟电阻来模拟，而电阻 网络是实物电阻，模拟电阻应用欧姆定律上模拟，目前绝大多数温度校准仪使用模拟电 阻的方法，它的输出的误差会受到温度校准仪的输入回路电流的影响，在此，必须保证 一定准确度的较大的激励电流。 模拟电阻的阻值可以通过高精度的数字多用表的电阻档测量获取，四线制的测量是 常用方法，模拟电阻输出有激励电流的要求，选用时高精度数字多用表应该与其匹配。 当然在采用模拟热电阻法时，还必须考虑参考端温度变化的影响，采取相应的补偿措施， 参考端通常在接线端子处要达到理想补偿较难。另外，输出值为工作端温度电势与参考 点温度电势差：e ( f ) 一e ( t o ) ，t o 为参考端的温度，由于参考端的温度容易变化，且 不易准确的测量，给获得准确的e ( f ) 一e ( t 。) 标准值带来困难，所以本文采用模拟热 电阻的方法对测量结果修正。 2 4 测试方法 温度准确度校准方法：将一只测温热电阻插入温度校准仪的炉体的测量孔中，该孔 的直径迎合热电阻的外径接触尽可能良好，在升温和降温过程到达某个温度值时，待温 度稳定后，从万用表上连续记录热电阻的电阻值和温度校准仪自身温度显示值各5 次。 温度稳定度校准方法：将一只铂热电阻放在炉体的测量孔中，在升温和降温过程到 达某个设定温度值时，待温度稳定1 5 分钟时，一般此时炉体的温度和温度的设定值相 等，此时读取铂热电阻测得的数据，以后每隔一分钟读取一次，共测量1 5 次。 温度均匀度校准方法：用两只相同型号的热电阻分别插在炉体的两个距离最远的测 量孔中，在升温和降温过程到达某个设定温度值时，待温度稳定后，用万用表分别记录 两孔热电阻的两组数据，每组记录四次数据。 加热和冷却时间的计算：将标准的热电阻插入炉体的中心孔的底部，将温度从要求 的温度升至或则降到另一温度点，记录所用的时间。 6 西华大学硕士学位论文 2 5 温度的溯源性 温度的溯源性是：即温度量值传递，也即国家计量基准所复现的温度量值，具体意 思就是通过检定传递给下一等级的温度标准，并依次传递到工作用的计量器具上，以保 证被计量对象的量值的准确性。 温度量值的传递有以下方式：计量保证方案、实物标准传递和发放标准物质等。我 国的温度量值的传递系统实物标准来逐级传递。在检定规定的计量周期中，定期将仪器 送到高一级的计量标准部门，由专业的人员对仪器进行检定。 量值的准确性必须以量值的溯源为前提，即计量的结果必须具有溯源性，即是计量 器具的量值应该和国家计量基准或则国际计量基准相联系为特征。只有在待检定的计量 器具经过具有相应的准确等级的计量标准的检定后，计量器具才有这种特征，而计量的 标准又要经过上一级计量标准的检定，逐级往上追溯，直到计量单位的源头国家计量基 准或则国际计量基准。也就是用户根据实际去寻找符合要求的上级标准。所以，溯源是 量值传递的逆过程。 7 温度校准仪电气部分研究与实现 3 温度校准仪的硬件结构和实现 3 1 概述 本文研究的是：输出温度在5 0 c - - 4 0 0 。c 的温度校准仪，其硬件结构系统框图如图 3 1 所示。 图3 1 温度校准仪其系统框图 f i g 3 1t h es y s t e mb l o c kd i a g r a mo f t h et e m p e r a t u r ec a l i b r a t o r 温度校准仪的工作原理是：将铂热电阻温度传感器的温度信号通过信号调理电路， 传给a d u c 8 4 5 的a d 端口，再通过单片机的内部运算比较，发出一定频率的控制信号 转换成电压信号，通过和三角波的比较来调节p w m 信号的占空比，从而调节加热线圈 上的电压，达到调节加热线圈的功率的目的。 图3 2 开关电源一次电路的基本结构 f i g 3 2t h eb a s i cs t r u c t u r eo f t h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 构由 + 一次整流、功率开关管、续流二极管、储能电感、二次滤波电容等组成，其各时刻的时 序波形如图3 3 所示， u c e o 工1 o u b o r ：。 - t r f t 1f 厂 一 jl l jl f ：b 险险险 工三工臼臼臼二 图3 3 基本结构的波形图 f i g 3 3t h ew a v ed i a g r a mo f t h eb a s i cs t r u c t u r e 9 ( 2 ) 在t l 一- - t 2 期间，功率开关i g b t 截止，在t 1 时刻，由于功率开关刚截止，在电感 中的电流i l 不能突变，于是在l 3 的两端产生与原来电压极性相反的自感电动势。此时， 续流二极管正向导通，储能电感中磁能以电流的形式通过续流二极管和负载放电，储能 电感中电流就是锯齿波随时间线性下降的那一段电流，续流二极管导通电压降忽略，因 而储能电感两端近视为u 0 ，其中流过的电流为： r ， 1 l = 一 0 ( f 一岛) + i l m 戤 ( 3 5 ) l 3 t 2 时刻，储能电感中的电流达到最小值，其大小为： r 厂 ，l l m 证= 一 导( f 2 一t 1 ) + 1 1 m a x ( 3 6 ) z , 3 所以储能电感中电流的变化量为： 西华大学硕士学位论文 她t = 1 1 1 - 1 1 1 m i n 一乳叫 在t - = t l 时，储能电感中的电流变化量为最大，最大量为： m 默：一譬心1 ) ：一粤砀 ( 3 8 ) 0 3 。3 ( 3 ) 只有当开关管导通时，l 。内储能电感增加的电流等于关断砀内减小的电流， 才到达动态平衡，才能保证电感中一直有能量，才能源源不断地给负载提供能量，这是 构成稳压电源的基本条件，因此： u o = i 寺u = d u = 等u ( 3 9 ) ”+ r 由于占空比d 永远小于1 的数，因此输出电压u 口永远小于输入电压u 。 3 2 2 开关电源一次电路改进 图3 4 开关电源一次电路 f i g 3 4t h ep r i m a r yc i r c u i to f o ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 校准仪开关电源一次电路如图3 4 所示，单相交流电经过熔断器、进线电感、隔离 变压器和整流桥，得到脉动的直流电，再经过电解电容c 1 后得到平滑的直流电，然后 被开关功率管斩波，再经过储能电感和滤波电容，最后流到q d + 和q d - 端口，0 d + 和q d - 温度校准仪电气部分研究与实现 是接在加热丝的两端。图中c 1 、d 2 和r 1 构成了缓冲电路，l 2 ，d 9 ，l 3 和c 2 2 等元件解 决主续流二极管反向恢复问题。 ( 1 ) 整流部分设计 单相整流桥的参数计算【5 】 单相桥式整流电路中，每个二极管只在交流电压的半个周期上通过电流，故每个 二极管的平均电流只有负载上电流平均值的一半，二极管承受的最大反向电压为 4 2x2 2 0 ，考虑电网的电压波纹范围为1 0 ，所以反向的工作电压为： u 矸= 1 1x4 2 2 2 0 = 3 4 2 ( v ) ( 3 1 0 ) 考虑实际工作电压取2 - 3 倍的余量： u m a x = ( 2 - - - 3 ) u 足= ( 2 3 ) x 3 4 2 = 6 8 3 - - , 1 0 2 6 ( v ) ( 3 1 1 ) 设每个加热丝的最大功率为5 0 0 w ，最小输入电压取1 8 0 v 时，所以最大的输入电 流为： i d = 5 0 0 ( 1 8 0 0 8 ) = 3 5 ( a ) ( 3 1 2 ) 故：整流器的电流应是正常使用时工作电流的1 5 至2 倍，所以其额定电流为： ，眦= ( 1 5 - - 2 ) x ，d2 ( 1 5 - - - 2 ) 3 5 = 5 2 5 7 a ( 3 1 3 ) 考虑整流桥规格，可选取k b p c i 0 1 0 型号的单相整流桥，额定电压1 0 0 0 v ，额定电 流1 0 a 。 熔断器、开关和进线电感的参数计算 又单相整流输出电压的平均值： u a = 1 2 2 2 0 = 2 6 4 ( v ) ( 3 1 4 ) 1 单相整流电路进线电流的有效值，= i d = 2 5 a ，所以可选用自动空气断路器s 1 ， 吖z 其过流跳闸值为：1 1 1 = 2 8 a ，可以整定在3 a 。 熔断器的选择一般应使工作电流接近熔断器的额定电流，由于进线电流的有效值为 2 5 a ，因此选用3 a 的快速熔断器。 进线电感l 0 的作用在于防止高次谐波电流回馈到电网中、限制瞬态电流尖峰和限制 r 故障电流。电感的大小按照输出额定功率时，电感枷的电压降为进线电压的3 - - - 5 的原则选取，所以 l o = ( 3 5 ) 2 2 0 ( 2 7 5 0 2 5 ) = 5 6 9 3 ( m h ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 2 ( 3 - - , 5 ) ( 2 x 5 0 x 9 6 ) = 3 0 0 - - , 5 0 0 ( , u f ) 电容器的耐压值必须高于2 2 2 0 = 3 1 1 v ，故取4 0 0 a f 4 5 0 v 的电容器。 高频滤波器的参数设计 由于串联谐振逆变器的直流电源回路还必须流过无功功率，该无功电流随逆变器的 输出功率因数减小而增大，而电解电容c 1 不能流过高频的无功电流，否则会发热而损 坏，所以需接高频滤波电容c 2 来流通无功电流。 一般是电源容量大，选取大值；工作频率高，选取小值1 - - 5 0 k h z , 可以选取1 0 5 0 ，1 0 0 - - 2 0 0 k h z ，可以选取1 5 3 旷。本文选取4 0 胪8 0 0 v 的电容。 压敏电阻的参数计算 压敏电阻r l 的选取原则：考虑电压上升波动和工作过程中被反复冲击造成元件老 化等因素。直流状态下，标称电压1 3 3 倍工作电压；交流状态下，标称电压1 8 6 倍 工作电压，如果过电压较高和动作过频繁，标称电压适当放宽，直流标称电压1 6 倍 工作电压，交流标称电压 2 2 倍工作电压。 因为整流输出电压的平均值2 6 4 v ，再考虑电压波动和尖峰得，所以选择4 0 0 v 5 a 的压敏电阻。 ( 2 ) 开关电源一次电路d c d c 转换器的设计 i g b t 的选择 6 - s ) 由工作原理分析，在功率管截止期间，集电极和发射极之间的反向耐压等于储能电 感的反向电动势和输出电压之和，近视等于2 u d ，所以功率管的反向击穿电压为，考 虑高频时要留有一定余量： ( 1 5 - 2 ) 2 u d = 7 9 2 - - 1 0 5 6 v ( 3 1 8 ) 逆变器输出最大电流的有效值为： 1 3 温度校准仪电气部分研究与实现 j _ j 等= 摆以3 a i g b t 的峰值电流为 i ，= 2 2 3 = 3 3 a ( 3 2 0 ) ( 1 5 2 ) i ，= 5 6 6 a ( 3 2 1 ) 综上所述，选取型号1 m b h l 0 d 1 2 0i g b t 模块，它的额定电流1 0 a ，额定电压1 2 0 0 v 的以满足实验要求。 储能电感的选择【9 】 储能电感对的电感量越大，电流变化越平滑，电感量越小，电流变化越陡峭，所以 电感( 本设计取频率为2 0 k ) 为： 厶坠趣型：卫l 。 1 5f1 5x2x1 0 4 = 3 m h ( 3 2 2 ) 本设计选择1 0 m h 1 0 a 的储能电感。 续流二极管和滤波电容的选择【1 0 】 续流二极管的选取要符合以下条件：续流二极管的正向额定电流大于负载的电流； 续流二极管反向耐压值大于输入电压值；为了减小纹波电压反向恢复和导通速度快：为 了减小损耗，选择肖特基二极管，最大反向电压为1 0 0 0 v ，额定电流为5 0 a 。根据这些 要求选择m u r l 5 4 0 t 。为了减小输出的纹波电压，在肖特基二极管并联一个2 u f 4 0 0 v 的电容，在续流二极管恢复时间所导致的开关转换纹波电压被被电容吸收掉。 滤波电容的选取直接关系到输出电压中纹波电压分量，在设计时，还应该在滤波电 容上并联一个小0 1 u f 电容，这样可以滤除频率较高的开关转换纹波电压分量，取纹波 电压分量为a u = 3 0 m v ，故选择滤波电容大小为： c ：堑兰竺：2 2 0u f ( 3 2 3 ) f 8 lxa u 并联电容和缓冲保护电路【1 1 1 在实际的电路中，由于工艺的关系，在电路的输入回路至开关管的集电极和发射极 之间的导线上存在一定的杂散电感，在开关管导通时，产生的感应电压极性与开关管的 电压极性相反，在开关管关断时，电流将快速减小到零，导致很大的历班，所以导致 开关管的两端产生很高的电压尖峰，一定情况下，输入的电流越大，电压的尖峰越大， 显然这限制了电源功率的等级，也会对开关管产生很大的危害，甚至破坏开关管，因此 必须消除。 1 4 西华大学硕士学位论文 + u 2 5 图3 5 并联电容电路 f i g 3 5t h ec i r c u i ti np a r a l l e lc a l i b r a t o r 为，达剑抑制电j 盘矢峰，在升夭首的直流母线上并联一个电答c 2 5 ，分析如