PT100温度变送器设计

电子检测装置设计实践电子检测装置设计实践 题目 题目 PT100PT100 温度变送器的设计温度变送器的设计 姓名 姓名 学号 学号 成绩 成绩 西安理工大学信息与控制工程系西安理工大学信息与控制工程系 20162016 年年 1 1 月月 2222 日日 总成绩总成绩 验收成绩验收成绩 验收 抽样 结果 结果 均方根误差 排 名 精度 排名 最终排名 报告成绩报告成绩 报告评价 学生成绩包括两个部分 检测装置验收和报告 检测装置验收得分 根据验收测试的 4 组数据计算得到均方根误差和精度 将其各自排名 排名的结果相加 再排名 根据排名得到每个人的验收得分 报告得分 根据电路设计 计算 电路图绘制 结果分析 综合得分 最终得分 验收和报告各占 50 电子检测装置设计实践电子检测装置设计实践 项目设计说明书项目设计说明书 项 目 PT100 温度变送器的设计 姓 名 学 号 西安理工大学信息与控制工程系西安理工大学信息与控制工程系 20162016 年年 1 1 月月 2222 日日 大大 纲纲 1 概述概述 随着现代化工业生产的不断发展 在普通家庭里电热水器 电饭煲 电磁 炉等家用电器越来越成为必不可少的生活用品 然而这些电器都依赖于温度控 制技术 所以说温度控制技术无处不在 基于此 如何获得温度信息值并进行 准确而又快速的控制这是非常重要而有意义的研究课题 因铂热电阻具有测量范围大 稳定性好和耐氧化等优点 本课题采用 PT100 铂热电阻作为温度感测元件 进行温度传感器的设计与实现 PT100 在 的额定电阻值是 工作温度范围 考虑到实际应用 C 0 100C 850200 本课题设计的测量范围为 因为热敏电阻的的温度与阻值呈线性关系 C 1000 根据测量可得温度与电压的关系 阻值与电压的关系 2 总体设计总体设计 温度的控制 1 温度控制范围 10 90 内可任意设定温度值 2 控制精度 5 2 1 系统构成 2 2 主要设备及元器件选型 根据设计要求 采用 LM324 是四运放集成 电路 它采用 14 脚双列直插塑料封装 lm324 原理图如图所示 它的内部包含四组形式完全 相同的运算放大器 除电源共用 外 四组运 24V 输入 24V 输入 电源电路PT100 桥式电路放大电路输出 U0 放相互独立 由于 LM324 四运放电路具有电 源电压范围宽 静态功耗小 可单电源使用 价格低廉等优点 因此被广泛 应用在各种电 路中 lm7812 是指三端稳压集成电 路 IC 芯片元器件 适用于各种电 源稳压电路 输出稳定性好 使 用方便 输出过流 过热自动保 护 lm7805 系列集成稳压器的典 型应用电路如下图所示 这是一 个输出正 5V 直流电压的稳压 电源电路 IC 采用集成稳压器 7805 C9 C10 分别为输入端和输出端滤波 电容 ICL7660 是一款基于电荷泵原理的 电压反相器 在典型电路中 其输出 电 压和输入电压的极性相反幅值相等 但 输出驱动能力不算很高 常用于需 要从 正电压变换出对称负电压的场合 增 加 一个 ICL7660 和几个小电容 就可以实 现正负电源 2 3 系统核心处理策略 输入信号经热电阻 过零点补偿和一级运放 最后滤波得到理想的模拟 量输出 2 4 系统软硬件功能划分 PT100 所搭的电阻桥作为温度采集部分 对温度进行实时采集 电源由 实验室提供 3 详细设计详细设计 3 1 硬件设计硬件设计 3 1 1 输入与输出 输入 由电源直接输入 经电源电路处理 将5V 电压输入 输出 经电路处理好的信号直接输出 3 1 2 热电阻检测模块 由于热电阻输出的信号很微弱 故我们通过电桥将阻值变化值先经过电 桥放大 得到范围跨度为 0 5V 分辨率为 0 02V 的模拟电压信号 得到需 要的测温范围对应的温度值 热电阻热电阻 PT100PT100 的分度表的分度表 0123456789 温度 电阻值 0 10 20 30 40 100 00 103 90 107 79 111 67 115 54 100 39 104 29 108 18 112 06 115 93 100 78 104 68 108 57 112 45 116 31 101 17 105 07 108 96 112 83 116 70 101 56 105 46 109 35 113 22 117 08 101 95 105 85 109 73 113 61 117 47 102 34 106 24 110 12 114 00 117 86 102 73 106 63 110 51 114 38 118 24 103 12 107 02 110 90 114 77 118 63 103 51 107 40 111 29 115 15 119 01 50 60 70 80 90 119 40 123 24 127 08 130 90 134 71 119 78 123 63 127 46 131 28 135 09 120 17 124 01 127 84 131 66 135 47 120 55 124 39 128 22 132 04 135 85 120 94 124 78 128 61 132 42 136 23 121 32 125 16 128 99 132 80 136 61 121 71 125 54 129 37 133 18 136 99 122 09 125 93 129 75 133 57 137 37 122 47 126 31 130 13 133 95 137 75 122 86 126 69 130 52 134 33 138 13 100 110 120 130 140 138 51 142 29 146 07 149 83 153 58 138 88 142 67 146 44 150 21 153 96 139 26 143 05 146 82 150 58 154 33 139 64 143 43 147 20 150 96 154 71 140 02 143 80 147 57 151 33 155 08 140 40 144 18 147 95 151 71 155 46 140 78 144 56 148 33 152 08 155 83 141 16 144 94 148 70 152 46 156 20 141 54 145 31 149 08 152 83 156 58 141 91 145 69 149 46 153 21 156 95 金属热电阻一般适用于 200 500 范围内的温度测量 其特点是测量 准确 稳定性好 性能可靠 在程控制中的应用极其广泛 工业上常用金 属热电阻从电阻随温度的变化来看 大部分金属导体都有这个性质 但并不 是都能用作测温热电阻 作为热电阻的金属材料一般要求 尽可能大而且稳 定的温度系数 电阻率要大 在同样灵敏度下减小 传感器的尺寸 在使 用的温度范围内具有稳定的化学物理性能 材料的复制性好 电阻值随温度 变化要有间值 函数关系 最好呈线性关系 pt100 是铂热电阻 它的阻值跟温度的变化成正比 PT100 的阻值与温 度变化关系为 当 PT100 温度为 0 时它的阻值为 100 欧姆 在 100 时它 的阻值约为 138 5 欧姆 设计电路图如下 3 1 3 电源模块 本系统采用实验室提供的 24V 直流稳压电源 经电源电路输出为5V 电 压 3 1 4 电压跟随器模块 电压跟随器的显著特点就是 输入阻抗高 而输出阻抗低 电压跟随器采用 5V 和 5V 双电 源供电形式 为了避免系统输出 Vo 为负电压的情况 滑动变阻器 RF1 RF2 调节范围大 使测量更加 准确 3 1 5 计算过程 1 设 R1 R2 1K R4 100 PT100 在 0 度时 阻值为 100 电桥 R5 R6 10K 电桥上的电阻大于 R1 和 R2 2 输入输出关系式 解得 109 96 76 i 2f 1 1O O O VRRR R V VVR R RR VRV 最小范围 3mV 35mV 32mV 最大范围 7mV 25mV 18mV 最小放大倍数 5V 32mV 156 最大放大倍数 5V 18mV 278 3 确定 Vz 的范围及 R11 R12 RF2 时 假设 R6 R7 则 设 Vref 1 2V Vz 为 0 3V 到 0 7V 取 Vz 的变化为 0 5V 放大倍数 k 最小 可调 从而 设 R9 10K R10 5 6K k20 2f R选 验证假设是否满足要求 则放大倍数满足要求 4 确定 Vo1 R6 R7 的范围 设 R6 R7 10k 运放的电阻应远大于其内阻 而内阻一般为100 9 299 7 6 7 76 2f i R RRR V R R R RR VV ZO Z V R RR V 7 76 i 9 10 1k 2f R RR 56 1 9 10 1k 2 min R RR f 56 0 9 10 R R k 2 1210 6 510 78 1 78 2 9 1 33 max2 2f 2f10 max f R Rk R RR k 所以 应取最大值 最大 使 kkR R RR R R V 6 57 4 78 1 56 2 10 206 5 56 0 10 6 5 10 9 210 9 10 从而令 0 1 O V i 2VVZ 0 2 f R 3 1 5 系统图及元器件清单 元件数量 ICL76601 LM3242 LM78121 LM78051 PT1001 电解电容 10uf 100uf4 电容 104 106若干 电阻若干 双输出可调直流稳压电源24V 电位器2 4 调试与测试调试与测试 4 1 调试调试 将 PT100 放入冰水混合物 此时温度为零摄氏度 PT100 阻值此时为 100 接入电路 分别测 Vo1 和 Vo 调滑动变阻器 RV1 和 RV2 使其电压均接近于 0V 并且 Uo1 Uo2 对电路信号放大部分先进行调零 测 Vo 的值并调节 RV2 是输 出为 0 3V 再对电路信号放大部分进行调满 先将 PT100 放入开水 此时的阻 值 138 接入电路 再测 Vo 的值并调节 104 使输出接近为 5V 如此反复对该 VVVV VVVVVV O O 7 39 023 2 3 2 9 0 10 102 45 0 0 45 0 1i 4 4 Z1i 电路进行调零和调满的操作 使其输出稳定在 0 2V 4 0V 之间即可 4 2 测试测试 测实验数据 调节 PT100 的阻值 使其以每隔 10 的阻值接入电路 再测 输出 Vo 的值 电流源电路接好后 开始测电流的输出 测量时应按PT100 的阻值增大时测一次 再依次减小其阻值测一次 测试结果 1 滑动变阻器 RF1 调零 调节最佳增益 结果如下所示 由图可以看出 PT100 温度与电压近似呈线性关系 5 结论结论 经过将近两这几天的测控电路课程设计 我终于完成了 PT100 温度变送器 的设计 虽然与老师的要求有一定的差距 但我还是很高兴的 在这次课程设计中 我自己动手焊接了实验电路 自己检查电路中的错误 自己改正这些错误 自己查资料 这些都是我独立完成的 虽然在这一过程中 我们遇到了许多困难 但还是咬牙挺过来了 因此我们也学到了许多东西 由 温度C 102030405060708090 阻值 103 9107 7111 6115 5119 4123 2127 0130 9134 7 电压V0 7021 2111 8342 3582 8373 2953 7014 1334 487 于我之前有过焊接电路板的经验 在焊接过程中并未遇到什么困难 我自己也 认为我焊接的电路板还是不错的 但我还是在电路调试中遇到了很大的难题 虽然老师在布置这个课程设计之前给我们讲了一些在调试中要注意的问题 但 在实际操作中我们几乎完全忘了这些需要注意的问题 例如对电路的调零和调 满的操作 我们都没有将这两步分开来进行 而是直接测电路的输出 再如 调零和调满的操作要进行