6温度的测量.ppt

工业系统测量 温度的测量 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 2 引言 温度测量在生活中很常见 测量室温 测量体温 测量水温等等 设计一个恒温热水器 水温下降时可以自动启动加热装置 当加热到需要的温度时停止加热 以保持水温恒定 你会选用什么传感器 传感器选用有什么原则 如何设计电路 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 3 引言 温度的测量方法 思考 温度的变化会引起什么变化呢 金属热电阻 温度 热量 电阻热电偶 温度 热量 温差电动势半导体热敏电阻 温度 热量 电阻红外释热测温 温度 红外热辐射色温法 温度 金属颜色变化 炼钢 石英 温度 石英震荡频率形变 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 4 温度系统的热惯量 系统的热容量和热阻的概念热容 物体温度发生变化需要吸热或放热 Q Cm tC为比热容 m为质量 t为温度变化热阻 表征介质的传热能力 即传热的快慢 手拿盛了开水的瓷杯不感觉烫 是因为瓷杯热阻很大 传热很慢 且大多散失在空气中 人体皮肤以及皮下脂肪有很大的热阻 所以人可以保温 而蛇热阻很小 故是冷血动物 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 5 温度系统的热惯量 系统本身有一定的热容量 系统传热介质具有一定的传热能力 所以对系统加热或者冷却时 系统温度的上升或下降往往需要一定的时间 这种特性称之为系统的热惯量 系统的热容量越大 热阻越大 热惯量越大 温度系统是一个时变的 非线性的大惯性系统 由于热惯量的存在 对温度传感器有了特殊的要求 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 6 温度传感器的特殊要求 传感器的外壳和内部材料具有一定的热容和热阻 传感器具有一定的热惯量 传感器与被测物达到热平衡需要一定的时间 传感器热惯量过大的危害 不能迅速反映被测温度的变化 传感器吸热和放热会干扰被测系统的温度 温度传感器的热惯量要尽可能小 体积要小 材料比热容要小 使用导热良好的封装材料 热阻小 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 7 引言 温度测量中的特殊问题 传感器或测量系统测量的结果应该是可信的 对此的检验过程称为传感器的标定 目的是建立输出信号值与被测量之间的对应关系 在实际测量中 由于系统存在误差 需要对测量电路进行校准来消除误差 通常包括零点校准和满度校准 有些传感器的输出不是我们需要的信号类型 需要进行相应的调理电路实现信号的转换 比如输出为电流信号 如果想得到电压信号 则必须进行流压转换 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 8 测量系统的校准 校准的原因 系统存在误差 如元件的不精确 R L C 运放等 或环境的影响 校准的目的 消除系统误差 校准的方法 调节R L C及其配比等 测量系统的校准 调零点 或量程下限 调满度 或量程上限 测量系统进行零点或满度校准时 必须保证被测量达到并稳定在对应值 已调整好的零点和满度应保持不变 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 9 几种常用的温度传感器 金属热电阻原理 在一定温度范围内 金属材料的电阻与温度成一定函数关系 纯金属 Rt R0 1 at bt2 热电阻材料 要求 线性度好 特性稳定 测量范围宽 主要是铂 铜 镍等 负面效应 如果连接导线很长 导线的电阻受环境温度影响会造成测量误差 通常要采取补偿措施来消除这种误差 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 10 几种常用的温度传感器 金属热电阻组成的测温电路 差动放大10倍 电桥 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 11 训练内容1 热电阻测温电路 连接电桥 并调节平衡 在面包板上连接电桥 在室温下调节电位器 使电桥平衡 用手给热电阻加热 用示波器或万用表观察电桥输出电压的变化情况 接入差动放大器 电桥的两个输出端接到自制温度电路板上差动放大器两个输入端 给热电阻加热 用示波器或万用表观察电桥输出电压的变化情况 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 12 训练电路板简介 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 13 热电阻测温电路接线示意图 接线要求 横平竖直避免交叉少用导线 直流电源的使用 开启之前逆时针旋到底 跟踪 按下 电阻的读取色环万用表面包板P28 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 14 几种常用的温度传感器 半导体热敏电阻 原理 半导体的导电能力受温度影响较大 分类 根据温度系数不同 可以分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻 优点 半导体热敏电阻的阻值较大 即使用长达数千米的连接导线 导线电阻通常也可以忽略不计 缺点 大多数半导体热敏电阻的阻值与温度的关系不是线性的 半导体热敏电阻的伏安特性也多是非线性的 测温电路 电桥 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 15 几种常用的温度传感器 半导体集成温度传感器 感温器件 热敏晶体管 采用硅半导体集成工艺而制成 特点 集成了温度补偿或非线性补偿电路 感温范围很宽 线性度较好 按输出量分类 电流型 如AD590电压型频率型 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 16 AD590集成温度传感器 AD590的特性 温控电流源I A T K t T K I A 273 16000273 16273 16100373 16373 16工作电压 4 30V工作范围 AD590JH 0 70 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 17 AD590测温电路 目标 I A T K uo V 0 05t t T K I A uo V 0273 16273 160100373 16373 165需要做的工作 把电流I转换为电压uo 流压转换 0 时输出0V 100 时输出5V 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 18 AD590测温电路 简单的流压转换 问题 随着温度的升高 电流增大 uo很大 造成AD590的工作电压降低 甚至低于它的稳定工作电压 影响其正常工作 解决思路 最好使AD590的工作电压恒定 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 19 AD590测温电路 完成 流压转换uo iR提供零电位点以及R 运放完成 0 时输出0Vi iA i0 iA 273 16 A选择适当R1完成 100 时输出5V选择适当的R2 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 20 流压转换 AD590测温电路 0 补偿 Rw1 零点校准 调零 Rw2 满度校准 调满度 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 21 AD590测温电路 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 22 AD590测温电路的校准 为什么需要校准 因为电路中的元件 如R C L 运放等 含有误差 导线含有电阻 为了使测量电路可以得到精确的测量值 必须对这些误差进行补偿 AD590测温电路中的电位器Rw1 Rw2是起补偿作用的 AD590测温电路的校准过程 零点校准 0 输出0V 要求将AD590置于0 的环境中 调节Rw1 使uo 0V 满度校准 100 输出5V 要求将AD590置于100 的环境中 调节反馈电阻Rw2 使uo 5V 这些可调元件的参数一经调定就不允许再变动 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 23 训练内容2 用AD590测量手温 连接电路之前 先调节R2 50千欧 注意 应把R2从电路中断开调节 连接AD590测温电路 使用当前室温校准电路 如室温为20 即 使输出uo 1 00V 测量手的体温 记录测量值 uo V t 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 24 AD590测量手温电路接线示意图 电路的检测方法 检查电源供电是否正常 检查电路中各点的电压 有问题 检查 连接点 导线 直流电源的使用 开启之前逆时针旋到底 跟踪 按下 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 25 训练电路板简介 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 26 AD590测量手温的误差分析 测量中主要存在什么误差 10V电源是否准确 否则无法产生准确的273 16 A的抵消电流 传感器是否存在误差 元件 如电阻 运放等的影响 2020 2 20 西安交通大学工程训练中心 27 思考 手掌和台灯都可以看作恒温热源 用恒温热源对温度传感器加热 测温系统的输出信号上升需要一定的时间 这是什么原因造成的 为什么希望温度传感器的热惯量小 图6 2电路中R1和R2的值能够计算 并且在调节时能够用仪器测量 为什么还要用在标准温度下校准零点和满度 如果放大器输出不足以带动磁电式电压表指针偏转