《温度测量及仪表》PPT课件.ppt

3温度测量及仪表 3 1温度 温标的概念及测量方法 温度的概念 1 温度是一个基本独立量 是ISO七个基本单位之一 2 直观上看 温度是表征冷热程度的参数 3 从热力过程看 温度是决定一个系统是否与其它系统处于热平衡状态的宏观性质 4 从微观上看 温度是物体内部分子无规则运动剧烈程度的标志 测温原理 选择以合适的物体作为敏感元件 其某一物理性质随温度而变换的特性已知 敏感元件与被测物体发生热交换当热交换达到平衡时 敏感元件反映出被测物体的温度特征根据热交换的方式 可以划分为接触温度测量与非接触温度测量两大类 接触测温 敏感元件直接与被测对象接触 依靠传热和对流进行热交换 直观可靠 必须与对象接触 容易引起被测温场的分布 破坏对象热平衡 存在置入误差 接触不充分时 易出现误差测量环境对元件的寿命有影响 接触测温仪器 热胀冷缩原理 玻璃温度计 压力式温度计 双金属温度计热电效应 热电偶电阻效应 铂 铜热电阻 热敏电阻半导体性能 集成温度传感器晶体频率 石英晶体温度计光纤 光纤温度传感器 非接触测温仪器 光纤 光纤辐射温度计辐射能量的大小 辐射温度计单色亮度与温度的关系 亮度温度计两个波长亮度随温度变化的关系 比色温度计 非接触测温 敏感元件与被测对象不接触 依靠对流或辐射方式进行热交换响应快 不破坏温度场 对被测对象干扰小便于对运动物体进行测量和强电磁干扰 强腐蚀的场合可以用扫描方式测量温度场分布 温标 不同的敏感元件 不同的温度范围 物理特性随温度的变换是不相同的 温标就是建立一个衡量温度的标准 规定温度的起点及其基本单位 温标包含实现方法 使用元件 特性曲线等内容 国际实用温标 华氏 冰32F 水沸点212F 中间分180份摄氏 冰0C 水沸点100C 中间分100份国际实用温标 协议温标 由固定点 内插标准仪器和内插公式三部分组成 1 水的三相点为热力学温度的1 273 16 2 每一摄氏度与每一开尔文的量值相同 t90 T90 273 15 温标的传递 1 各国根据国际温标的规定 建立自己的国家基准 2 各地区保存次级标准 定期到国家基准检定 3 给企业 部分对自己的产品建立温度标定方法 定期与计量部门核准 4 在进行计量鉴定时 往往采用比较法 3 2热电偶温度计 3 2 1热电偶测温原理 1 Peltier效应两种不同电子密度的导体接触在一起时 接点出会发生电子扩散 电子密度大的导体因失去电子而带正电 电子密度小的导体因得到电子而带负电 扩散稳定后形成的电势除与材料有关外 还与接点温度有关 Peltier效应 k 玻尔兹曼常数 1 38 10 23J K e 电子电荷 1 602 10 19C 2 Thomson效应 同一金属 当两端温度不同时 温度高的一端因电子动能高会向温度低的一端扩散而带正电 热电效应结论 1 产生热电势的条件是两种不同的导体材料构成回路 两端接点处温度不同 2 热电势大小只与材料 温度有关 3 当材料确定以后 热电势只与温度有关 当T0恆定时 只与测量点的温度有关 3 2 2热电偶的应用定律 1 均质导体定律 2 中间导体定律在热电偶回路中接入中间导体后 只要中间导体两端的温度相同 对热电偶回路的总电势值没有影响 3 中间温度定律 3 3常用热电偶 对热电极材料的要求 1 热电性能稳定 不随时间和被测对象而变化 2 物理化学性能稳定 不易氧化和腐蚀 耐辐射 3 有足够的灵敏度 4 热电特性接近单值线性或近似线性 5 电导率高 电阻温度系数小 6 机械性能好 价格便宜 工业热电偶分类及性能 高温热电偶 铂 铂铑系列 测温范围宽 特性稳定 测量精度高 可用于精密测量在高温时性能稳定 可以长期工作在高温环境热电势小 非线性大价格贵 低温热电偶 铜 康铜 温度范围 200 400 测量精度高 温度性好低温时有较高灵敏度0 以上时铜为正 0 以下时康铜为正0 100 为二等标准热电偶 用来检定其它低温热电偶 低温热电偶镍铬 金铁 铜 金铁 低温时灵敏度高性能稳定主要用于超导 宇航 受控核反应等 廉价热电偶 镍基系列 性能稳定 热电势大热电特性好 复现性好高温下抗氧化能力强耐辐射使用范围宽 应用广泛 热电偶的结构形式 普通热电偶 为装配式结构 由热电极 绝缘管 保护套和接线盒组成 热容大 对温度的响应慢铠装热电偶 将热电偶丝 绝缘材料 保护管组合装配后 经拉伸加工而成 热容小 反映快 挠性好 可弯曲 可安装在负责结构的测量场合 冷端温度处理 1 补偿导线法选用与热电偶具有相同热电势 温度特性的导线与热电偶配套使用 2 参比端温度测量计算法用补偿导线将冷端温度移到室外常温环境 测量环境温度进行补偿 3 冷端恒温 4 补偿电桥法 3 4热电阻测温 原理 金属或导体的电阻随温度变化而变化 温度每升高1度 金属电阻增加0 4 0 6 半导体电阻减小2 6 优点 测量精度高 温度性能稳定 复现性好测量范围大 尤其在低温测量方面信号可以远传 灵敏度高无需参比温度 热电阻材料选择 有尽可能大 稳定的温度系数电阻率要大 以便在同样灵敏度下 可以制成小尺寸的元件 减小测温热惯性在测温范围内物理化学性能稳定复现性好与温度为单值连续关系 最好是线性或平滑特性 铂电阻 性能极为稳定 耐氧化能力强易于提纯 复现性好电阻率高 工艺性好 可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔测温范围宽 200 850 价格贵温度系数小真空和还原气氛会导致电阻值飘移 铂电阻 有10 和100 两种规格 Pt10 Pt100 t 0 时R t R0 1 At Bt2 t 0 时R t R0 1 At Bt2 Ct3 t 100 A 3 9083 10 3 B 5 775 10 7 2C 4 183 10 12 4 铜电阻 温度范围 50 150 线性温度系数 Rt R0 1 at 温度系数比铂高 4 25 4 28 10 3 易得到纯态 加工性能好价格低电阻率低 体积大 热响应慢 铜电阻 有50 和100 两种规格 Cu50 Cu100 R t R0 1 At Bt2 Ct3 A 4 28899 10 3 B 2 133 10 7 2C 1 2333 10 9 3 热电阻的结构 普通型 感温元件 内引线 绝缘套管 接线盒 电阻线要用无感绕法铠装 铠装电缆作为保护管 绝缘物 内引线 前端与感温元件连接 外部焊接保护管 热电阻的引线方式 热敏电阻的特性 热敏电阻的特点 电阻温度系数大 为金属的几十倍电阻值高 引线电阻对测温没有影响体积小 热响应快结构简单可靠 价格低廉化学性能稳定 寿命长互换性差 3 5集成温度传感器DS18B20 DS18B20是美国达拉斯半导体公司生产的新型温度检测器件单一总线接口 只需一条通讯 控制线可以通过数据线供电测温范围 55 125 在 10 85 时分辨率达0 5 温度值可在9 12Bit之间选择 转换12Bit最多需要750ms可设置高低温报警片内固化着不同的地址序列号 可多片共用一条通讯线 DS18B20的封装 DS18B20的结构 DS18B20的供电 DS18B20温度测量操作 分辨率 可通过程序配置为9 10 11 12 默认 bits 分别对应温度为0 5 C 0 25 C 0 125 C 0 0625 C 温度测量 在发送转换T 44h 命令后开始温度测量 测量结果存放在缓冲区内 为带符号的16bit数据 测量结束后可以通过1 Wire 总线设置读缓冲区命令 BEh 读取测量结果 数据格式 通过1 Wire 总线读温度数据时 低位在前 高位在后 符号在高位 DS18B20温度数据的格式 DS18B20的地址控制 每个DS18B20包含了一个唯一的64 bitsROM代码 其中前8bits是1 Wire系列的产品代码 DS18B20的代码为28h 接下来的48bits是一个唯一的序列号 最后8bits是前的CRC64 bitROM及ROM功能控制代码使DS18B20可以实现1 Wire功能 只有满足ROM功能协议的DS18B20才可以相应操作 工作时 1 Wire主机必须先发送下列命令之一 1 ReadROM 2 MatchROM 3 SearchROM 4 SkipROM or5 AlarmSearch 在ROM命令结束后 命令制定的DS18B20可以响应控制主机的操作 主机可以进行常见的存储器控制操作 ROM功能操作流程 DS18B20的存储器 DS18B20的配置存储器 DS18B20的硬件配置 主机要能驱动总线上的所有DS18B20DS18B20的数据线为集电极开路输出DS18B20的数据线平时应为高电平 当为低电平的时间超过480us时 DS18B20会自动复位 DS18B20的温度测量流程 初始化ROM命令MEMORY命令数据传输 DS18B20的初始化 所有的操作必须以初始化开头初始化过程由主机发送复位脉冲开始 初始化后从机会发出响应信号连接的DS18B20通过响应信号告诉DS18B20已准备好 可以开始工作 DS18B20的ROM功能 主机机检测到有DS18B20从机时 随时可以发送ROM命令 一个ROM命令为1个字节 读ROM命令 33h 读64bit产品号 序列号 CRC 只能在总线只有一个DS18B20时使用 DS18B20的ROM匹配命令 命令字为55h主机通过发送64bit的数据选择需要控制的DS18B20 只有ROM数据完全与发送的数据相同的DS18B20才能响应后续的命令与64bit数据不匹配的DS18B20必须等待下一个复位脉冲到来后才能再次工作 DS18B20的忽略ROM命令 命令字为CCh主机通过发送该命令后 总线上的所有DS18B20都可以响应后面的存储器指令 对只有一个DS18B20的系统来说 可以节省时间当有多个DS18B20时 忽略ROM后的读操作会发生总线干涉 DS18B20的ROM搜索命令 命令字为F0h新装系统时 主机不知道有多少个DS18B20 也不知道它们的ROM地址 必须通过ROM搜索命令来获取 例 有四个DS18B20 地址分别为 ROM100110101 ROM210101010 ROM311110101 ROM400010001 DS18B20的ROM搜索过程 1 主机发送复位脉冲 从机响应 主机知道有DS18B20在总线上 2 主机发送ROM搜索命令 启动搜索过程 3 主机读数据总线上的数据 这时候所有的从机会回应 都把第1位数据放到数据总线上 主机读到的是所有从机的第1位数据 与 0 主机再读数据总线上的数据 这时候 所有的从机会把第1位数据求反后放到数据总线上 主机读到的数据有以下情况 00本位为0和1的从机都有01所有的从机本位为010所有的从机本位为011没有从机在总线上 DS18B20的ROM搜索过程 4 主机写 0 表示只有本位为0 ROM1 4 的从机继续响应下面的搜索 5 主机再连续读两次 得到 0 和 1 表明ROM1 4的第2位都是0 6 主机写 0 继续保持对 ROM1 4 的搜索 7 主机再连续读两次 得到 0 和 0 表明总线上的从机地址的第3位有的为0 有的为1 8 主机写 0 只保留ROM4继续响应下面的搜索 9 主机继续读ROM4的后续位 完成任务第1遍的搜索 找到总线上的一个DS18B20的ROM地址 DS18B20的ROM搜索过程 10 主机主机启动一次新的搜索 从步骤1做到7 11 主机写 1 只保留ROM1继续响应下面的搜索 12 主机继续读ROM1的后续位 完成任务第2遍的搜索 找到总线上的又一个DS18B20的ROM地址 13 主机主机启动一次新的搜索 从步骤1做到3 14 主机写 1 继续保持对 ROM2 3 的搜索 15 主机再连续读两次 得到 0 和 0 表明总线上的从机地址的第2位有的为0 有的为1 16 主机写 0 只保留ROM2继续响应下面的搜索 17 主机继续读ROM2的后续位 完成任务第3遍的搜索 找到总线上的又一个DS18B20的ROM地址 DS18B20的ROM搜索过程 18 主机主机启动一次新的搜索 从步骤1做到15 19 主机写 1 只保留ROM3继续响应下面的搜索 20 主机继续读ROM3的后续位 完成任务第4遍的搜索 找到总线上的最后一个DS18B20的ROM地址 DS18B20的信号时序 DS18B20需要严格的信号通讯协议 以确保数据的完整性信号时序包括 复位脉冲 确认存在脉冲 写1 写0 读1 读0任何通讯过程必须以初始化时序开始 复位脉冲后出现的确认存在脉冲表明DS18B20已经做好准备 可以开始通讯 DS18B20复位时序图 DS18B20写时序图 DS18B20读时序图 DS18B20的读 写缓冲区命令 命令字为 写4Eh 读BEH写命令用来写TH TL和CONFIG 三个字节的数据紧跟在命令字后读命令用来用缓冲区的9字节数据 读的时候应连续把9个单元的内容依此读完 若中途退出 必须在退出后发送一个复位信号 DS18B20的缓冲区复制命令 命令字为48H该命令把TH TL写到EEPROM中在写的过程中若主机读总线 将一致是0 复制结束后才回到1 若采用数据线供电 在发送完本命令后 数据总线应立即保持高电平10ms以上 DS18B20的温度测量命令 命令字为44H该命令发送后不需要其它信息 DS18B20开始温度测量在测量过程中若主机读温度 数据总线将一致是0 测量结束后才回到1 若采用数据线供电 在发送完本命令后 数据总线应立即保持高电平 其时间不得小于不同分辨率测量需要的时间 DS18B20的温度测量过程 发送ROM命令 选择需要测量的点启动温度测量读缓冲区 获取温度信息 DS18B20复位控制程序 rstDS3 JNBDS18B20 rstDS4 1T 0 5us DJNZB rstDS3 2T 1us SETBCSJMPrstDS End 300us内无反应说明无DS18B20rstDS4 MOVB 150CLRCrstDS5 JBDS18B20 IN rstDS End 2T 1us DJNZB rstDS5 2T 1us SETBC 300us内总线未释放则有故障SJMPrstDS EndrstDS End SETBEAPOPACCPOPBRET 复位DS1820B 24MHz晶振 出口C 0 成功 C 1 失败RESET DS18B20 PUSHBPUSHACCCLRDS18B20 产生DS18B20复位低电平CLREAMOVB 100DJNZB MOVB 250DJNZB MOVB 250DJNZB 低电平保持600usSETBDS18B20 释放DS18B20总线MOVB 40rstDS1 JBDS18B20 rstDS2 2T 1us DJNZB rstDS1 2T 1us SETBC 若80us内总线未变高则复位失败SJMPrstDS EndrstDS2 MOVB 200 DS18B20写数据位程序 写DS18B20数据位程序 C要写的数据位WRBIT DS18B20 PUSHBCLREACLRDS18B20MOVB 5DJNZB 数据总线先保持低电平5usMOVDS18B20 C 送出数据MOVB 60DJNZB 数据总线保持60usSETBDS18B20 IN 释放数据总线SETBEAPOPBRET DS18B20写数据字节程序 写DS18B20数据字节程序 A要写的数据WRBYTE DS18B20 PUSHBMOVB 8wrByteDS1 RRCALCALLWRBIT DS18B20DJNZB wrByteDS1POPBRET DS18B20读数据位程序 读DS18B20数据位程序 出口 C读到的数据位RDBIT DS18B20 PUSHBCLREACLRDS18B20MOVB 4DJNZB 数据总线先保持低电平4usSETBDS18B20 IN 释放数据总线NOPNOPNOPNOPMOVC DS18B20 IN 读取数据MOVB 60DJNZB 延时60usSETBEAPOPBRET DS18B20读数据字节程序 读DS18B20数据字节程序 入口 PSW 1 0 从DS18B20 IN读DS18B20 出口 A读到的数据RDBYTE DS18B20 PUSHBMOVB 8rdByteDS1 LCALLRDBIT DS18B20RRCADJNZB rdByteDS1POPBRET DS18B20初始化程序 初始化DS18B20 InitDS18B20 MOVB 2init18B20 1 LCALLRESET DS18B20 复位DS18B20MOVA 0CCHLCALLWRBYTE DS18B20 忽略DS18B20ROM地址MOVA 4EHLCALLWRBYTE DS18B20 准备写DS18B20寄存器MOVA 0LCALLWRBYTE DS18B20 写THMOVA 0LCALLWRBYTE DS18B20 写TLMOVA 1FHLCALLWRBYTE DS18B20 选择9Bit数据格式LCALLRESET DS18B20 复位DS18B20DJNZB init18B20 1RET DS18B20读温度程序 读DS18B20