传感器参数检定 PT100测温 PT100电阻标定.doc

传感器参数检定传感器参数检定 课程设计实验报告课程设计实验报告 学院 机电与信息工程学院 年级 2010 级 专业 测控技术与仪器 摘摘 要要 本文首先简要介绍铂电阻 PT100 的特性以及测温的方法 在此基础上阐述了 基于 PT100 的温度测量系统设计 在本设计中 是以铂电阻 PT100 作为温度传 感器 采用恒流测温的方法 通过放大器进行温度信号的转换 将 0 300 温 1 度等价到 0 2V 电压输出 本设计采用了四线制铂电阻温度测量电路 通过对 电路的设计 减小了测量电路及 PT100 自身的误差 使温控精度在 0 300 范围内准确测量 关键词 关键词 PT100 温度测量 仪用放大器 Abstract This article briefly describes the characteristics of PT100 platinum resistance and temperature measurement method on the basis it describes the design of temperature measurement system based on PT100 In this design it is use a PT100 platinum resistance as temperature sensor in order to acquisition the temperature signal it use of constant current temperature measurement method and Amplifier In addition it designs a clock circuit modules to achieve real time measurement of temperature It can still improve the perform used four wire temperature circuit and reduce the measurement eror Keywords PT100 Temperature Measures Instrument amplifier 前言前言 热电偶是目前接触式测温中应用十分广泛的热电式传感器 它具有结构简 单 制造方便 测温范围宽 热惯性小 准确度高 输出信号便于远传等优点 常用的热电偶材料有铂铑 铂 铱铑 铱 镍铁 镍铜 铜 康铜等 各种不同材料 2 的热电偶使用在不同的测温范围场合 热电偶的使用误差主要来自于分度误差 延伸导线误差 动态误差以及使用的仪表误差等 非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高 低 这种测温方法可避免与高温被测体接触 测温不破坏温度场 测温范围宽 精度高 反应速度快 既可测近距离小目标的温度 又可测远距离大面积目标 的温度 目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵 二是非接触式温度传感 器的输出同样存在非线性的问题 而且其输出受与被测量物体的距离 环境温 度等多种其它因素的影响 由于本设计的任务是要求测量的范围为 0 300 综合后续的电路 决 定采用线性度相对较好的 PT100 作为本课题的温度传感器 系统的工作原理系统的工作原理 首先用标准热电阻 PT100 对普通 PT100 进行标定 准确得到普通 PT100 的阻值与温度的关系 接下来设计放大电路 把 PT100 阻值的变化转换 成 0 2V 电压输出 再经过 A D 转换 经过单片机简单处理 再根据公式换算 把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值 并将数据送出到数码管进行显 示 一 课题设计内容和要求一 课题设计内容和要求 设计内容 设计内容 首先用标准热电阻 PT100 对普通 PT100 进行标定 准确得 到普通 PT100 的阻值与温度的关系 接下来设计放大电路 把 PT100 阻值的变 化转换成 0 2V 电压输出 再经过 A D 转换 经过单片机简单处理 进行相应 的显示 主要要求 主要要求 0 300 对应 0 2V 掌握恒流源的设计 区别各种放大电路的 利弊 掌握四线制 PT100 的接线 以及动手绕制热电阻 R 50 Cu50 3 二 硬件设计二 硬件设计 一 对普通一 对普通 PT100 进行标定进行标定 首先需要对普通 PT100 进行标定 恒温槽能在工作区域内提供恒定稳定的 温度 标定方法如下 1 恒温槽加热 达到预定的温度 2 将标准的 PT100 和普通四线制 PT100 分别插入两只试管 再分别深入 恒温槽中 然后同时记录两者的电阻值 3 根据标准 PT100 的电阻值便能方便的测得普通四线制 PT100 所处的环 境温度 4 根据温度 T 和电阻 R 绘制图线 得到函数关系式 5 重复测量 得到回程误差等静态参数 实验测得平均数据如下 数据 1 恒温槽温度 40455057585960 标准 PT100 温度 40 4645 5850 4457 1658 3559 3160 36 标准 PT100 阻值 29 3055429 864430 34831 014731 133231 22831 3326 普通 pt100 阻值 116 1117 998119 872122 529122 882123 256123 663 数据 2 恒温槽温度 65708090100110120 标准 PT100 温度 65 2970 180 0889 9199 72109 64119 52 标准 PT100 阻值 31 820332 29633 279234 246535 20836 176637 1396 普通 pt100 阻值 125 546127 392131 198134 954138 694142 815146 55 运用 matlab 得到标准 PT100 电阻 R 与温度 T 关系如下 4 020406080100120 24 26 28 30 32 34 36 38 T R standanrd PT100 R T 由图可以看出 标准 PT100 的温度 T 与电阻 R 成线性关系 并且由 matlab 计算得数据关系近似为 R 0 1032T 25 2037 说明此恒温槽温度稳定 测量结 果误差小 可进行普通四线制 PT100 的标定 运用 matlab 得到普通四线制 PT100 电阻 R 与温度 T 关系如下 405060708090100110120 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 T R fourline PT100 R T 由图可以看出 四线制 PT100 的温度 T 与电阻 R 成二次关系且具有良好的 线性关系 并且由 matlab 计算得数据关系近似为 R 0 0001t2 0 3677t 101 0601 当温度为零摄氏度时 PT100 的实际电阻为 101 0601 5 三 运放电路的设计三 运放电路的设计 1 考虑到传统的差分放大电路 即放大差分信号的同时抑制共模信号 但 它也有些缺陷 首先 同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等 假定 反相输入阻抗等于 100 k 而同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍 即 200 k 因此 当电压施加到一个输入端而另一端接地时 差分电流将会根据输入 端接收的施加电压而流入 这种源阻抗的不平衡会降低电路的 CMRR 另外 差分放大电路要求电阻的比值匹配得非常精密 否则 每个输入端的增益会有 差异 直接影响共模抑制 例如 当增益等于 1 时 所有电阻值必须相等 在 这些电阻器中只要有一只电 阻 值 有 0 1 失 配 其 CMR 便 下 降 到 66 dB 2000 1 同样 如果源阻抗有 100 的不平衡将使 CMR 下降 6 dB 所以我们采用仪用放大电路 可以避免以上缺陷 放大电路如下 输出电压 V V2 V1 1 2 2 1RR 6 4 R R 2 为了使实验结果更为精确 避免电阻不精确带来的影响 我们采用恒流 源给 PT100 供电 同时为了保证 0 是输出电压 0V 采用 PT100 与 100 的电 阻串联 把两者的电压相减 即可得到实验要求 具体电路如下 恒流源部分 6 总的电路图 将此四线制 PT100 插入恒温槽中 得到不同温度下的电阻值如下 PT100 阻值第一次输出电压 第二次输出电压第三次输出电压 100 0 175 0 189 0 1946 105 0 085 0 0915 0 0984 110 0 0130 006 0 002 1150 11090 10290 0949 1200 20790 19920 1915 1250 30530 29640 2874 1300 40160 39320 3834 1350 49980 48940 48 1400 59620 58560 5757 7 1450 69220 6820 6721 1500 7810 77820 7686 1550 87380 87430 8649 1600 96910 97110 9604 1651 06961 06651 0565 1701 16951 16211 1523 1751 26041 25831 2481 1801 36571 35551 3436 1851 4531 45221 4385 1901 5411 5451 537 1951 63711 64051 6325 2001 74481 73741 7281 2051 85091 83321 823 2101 94431 92881 9162 2121 98221 96831 9521 应用 matlab 得到 V R 关系如下图所示 100120140160180200220 0 5 0 0 5 1 1 5 2 R V V R 得到输出电压 V 与 PT100 电阻 R 的关系式为 V 0 0193R 2 1066 既在 0 220 度 范围内 PT100 的线性度非常好 8 考虑到电路本身发热和其他因素 需重复测量其电压 V 与电阻 R 的关系 既电 阻在 0 212 做连续多次变化 得到如下数据 输出电压 1输出电压2输出电压3重复性误差1重复性误差2重复性误差3 0 175 0 189 0 19460 00000 8 00000 11 20000 0 085 0 0915 0 09840 00000 7 64706 15 76471 0 0130 006 0 002316 6667 0 00000 133 33333 0 11090 10290 09490 00000 7 21371 14 42741 0 20790 19920 19150 00000 4 18470 7 88841 0 30530 29640 28740 00000 2 91517 5 86309 0 40160 39320 38340 00000 2 09163 4 53187 0 49980 48940 480 00000 2 08083 3 96158 0 59620 58560 57570 00000 1 77793 3 43844 0 69220 6820 67210 00000 1 47356 2 90379 0 7810 77820 76860 00000 0 35851 1 58771 0 87380 87430 86490 05719 0 00000 1 07515 0 96910 97110 96040 20595 0 00000 1 10184 1 06961 06651 05650 00000 0 28983 1 22476 1 16951 16211 15230 00000 0 63275 1 47071 1 26041 25831 24810 00000 0 16661 0 97588 1 36571 35551 34360 00000 0 74687 1 61822 1 4531 45221 43850 00000 0 05506 0 99794 1 5411 5451 5370 25890 0 00000 0 51780 1 63711 64051 63250 20725 0 00000 0 48766 1 74481 73741 72810 00000 0 42412 0 95713 1 85091 83321 8230 00000 0 95629 1 50737 1 94431 92881 91620 00000 0 79720 1 44525 1 98221 96831 95210 00000 0 70124 1 51851 3 由于铂是贵重金属 因此 在一些测量精度要求不高且温度较低的场合 可采 用铜热电阻进行测温 铜价格便宜 缺点是易氧化 不适宜在腐蚀性质或高温下工作 它的测量范围为 50 150 动手绕制热电阻 R 50 得到数据如下 Cu50 数据 1 恒温槽温度 4045507080 标准 PT100 温度 45 5845 5850 4470 2280 07 标准 PT100 阻值 29 3055429 864430 34832 30733 279 普通铜电阻阻值 24 572823 79625 416227 028326 6945 9 数据 2 恒温槽温度 8090100110120 标准 PT100 温度 80 0789 9399 75109 86119 55 标准 PT100 阻值 33 27934 248535 210336 198437 1425