常用温度传感器测量电路设计实验指导书

常用温度传感器测量电路设计实验指导书自动化工程学院常用温度传感器测量电路设计实验指导书一、实验目的：输出量本实验要求设计并制作一个常用温度传感器测量电路，要求测量温度在常温100 之间，输出为电压信号。该电路即可用于热电阻温度测量也可用于热电偶温度测量。二、 基本原理:温度测量过程原理：图1：温度测量过程原理温度测量过程原理如图1所示:信号采集：由热电偶或热电阻传感器负责将被测体的相关物理量转化为电信号。 信号处理部分：负责对信号进行放大，整形，降噪,标准化等处理。 输出显示部分：负责对处理后的各种信号进行可视化处理，便于人们直观的读出相关的物理量。该部分可以是计算机 或数码管 或显示仪表等 。该实验只涉及信号采集，信号处理部分的相关电路设计，安装，调试等内容。设计思路: 温度检测电路总体设计思路：如图2所示，被测物体温度经过温度传感器元件以及相关转换电路转化为电压信号，经后续放大电路放大调节后输出，再用数字显示表头显示检测到的温度信号。图2温度检测电路组成传感器部分：热电偶传感器：是将A和B二种不同金属材料的一端焊接而成如图3。A和B称为热电极，焊接的一端是接触热场的T端称为工作端或测量端，也称热端；未焊接的一端处在温度T0称为自由端或参考端，也称冷端(接引线用来连接测量仪表的两根导线C是同样的材料，可以与A和B不同种材料)。 T与T0的温差愈大，热电偶的输出电动势愈大；温差为0时，热电偶的输出电动势为0；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。国际上，将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号，如常用的(镍铬-镍硅或镍铝)、(镍铬-康铜)、(铜-康铜)等等，并且有相应的分度表即参考端温度为0时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。实验中用分度号为K的热电偶。 图3：热电偶示意图表1：K热电偶温度与输出电压的关系 分度号：K （参考端温度为0） 测量端温度（） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 热 电 动 势 （mV） 00.0000.0390.0790.1190.1580.1980.2380.2770.3170.357100.3970.4370.4770.5170.5570.5970.6370.6770.7180.758200.7980.8380.8790.9190.9601.0001.0411.0811.1221.162301.2031.2441.2851.3251.3661.4071.4481.4891.5291.570401.6111.6521.6931.7341.7761.8171.8581.8991.9491.981502.0222.0642.1052.1462.1882.2292.2702.3122.3532.394602.4362.4772.5192.5602.6012.6432.6842.7262.7672.809702.8502.8922.9332.9753.0163.0583.1003.1413.1833.224803.2663.3073.3493.3903.4323.4733.5153.5563.5983.639903.6813.7223.7643.8053.8473.8883.9303.9714.0124.0541004.0954.1374.1784.2194.2614.3024.3434.3844.4264.4671104.5084.5494.5904.6324.6734.7144.7554.7964.8374.8781204.9194.9605.0015.0425.0835.1245.1645.2055.2465.2871305.3275.3685.4095.4505.4905.5315.5715.6125.6525.6931405.7335.7745.8145.8555.8955.9365.9766.0166.0576.0971506.1376.1776.2186.2586.2986.3386.3786.4196.4596.4991606.5396.5796.6196.6596.6996.7396.7796.8196.8596.8991706.9396.9797.0197.0597.0997.1397.1797.2197.2597.2991807.338计算公式：E(t, t0)=E(t, t0)+E(t0, t0) 式中：E(t, t0)-热电偶测量端温度为，参考端温度为t0=0时的热电势值； E(t, t0)-热电偶测量温度，参考端温度为t0不等于0时的热电势值；E(t0, t0)-热电偶测量端温度为t0，参考端温度为t0=0时的热电势值。 例：用一支分度号为(镍铬-镍硅)热电偶测量温度源的温度，工作时的参考端温度(室温) t0=20，而测得热电偶输出的热电势(经过放大器放大的信号，假设放大器的增益A=10)32.7mv，则E(t, t0)=32.7mV/10=3.27mV，那么热电偶测得温度源的温度是多少呢? 解：由表1 查得： E(t0, t0)=E(20,0)=0.798mV 已测得 E(t, t0)=32.7mV/10=3.27mV 故 E(t, t0)=E(t, t0)+E(t0, t0)= 3.27mV+0.798mV=4.068mV 热电偶测量温度源的温度可以从分度表中查出，与4.068mV所对应的温度是100。铂电阻：是将0.050.07的铂丝绕在线圈骨架上封装在玻璃或陶瓷内构成，图4是铂热电阻的结构图。在0500以内，它的电阻Rt与温度t的关系为：Rt=Ro(1+At+Bt2)，式中： Ro系温度为0时的电阻值(本实验的铂电阻Ro100)。A3.9684103，B5.8471072。铂电阻一般是三线制，其中一端接一根引线另一端接二根引线，主要为远距离测量消除引线电阻对桥臂的影响(近距离可用二线制，导线电阻忽略不计)。图4铂热电阻结构实际测量时将铂电阻随温度变化的阻值通过电桥转换成电压的变化量输出，再经放大器放大后直接用电压表显示，如图5所示。图5热电阻信号转换原理图图中V=V1-V2；V1=R3/(R3+Rt)Vc；V2=R4/(R4+R1+RW1)Vc； V=V1-V2=R3/(R3+Rt)R4/(R4+R1+RW1)Vc；Pt100热电阻一般应用在冶金、化工行业及需要温度测量控制的设备上，适用于测量、控制600的温度。本实验由于受到温度源及安全上的限制，所做的实验温度值100。 表2：Pt100 铂电阻分度表(tRt对应值) 分度号：Pt100 Ro=100 =0. 温度（） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 电 阻 值 （） 0100.00 100.40 100.79 101.19 101.59 101.98 102.38 102.78 103.17 103.57 10103.96 104.36 104.75 105.15 105.54 105.94 106.33 106.73 107.12 107.52 20107.91 108.31 108.70 109.10 109.49 109.88 110.28 110.67 111.07 111.46 30111.85 112.25 112.64 113.03 113.43 113.82 114.21 114.60 115.00 115.39 40115.78 116.17 116.57 116.96 117.35 117.74 118.13 118.52 118.91 119.31 50119.70 120.09 120.48 120.87 121.26 121.65 122.04 122.43 122.82 123.21 60123.60 123.99 124.38 124.77 125.16 125.55 125.94 126.33 126.72 127.10 70127.49 127.88 128.27 128.66 129.05 129.44 129.82 130.21 130.60 130.99 80131.37 131.76 132.15 132.54 132.92 133.31 133.70 134.08 134.47 134.86 90135.24 135.63 136.02 136.40 136.79 137.17 137.56 137.94 138.33 138.72 100139.10 139.49 139.87 140.26 140.64 141.02 141.41 141.79 142.18 142.66 110142.95 143.33 143.71 144.10 144.48 144.86 145.25 145.63 146.10 146.40 120146.78 147.16 147.55 147.93 148.31 148.69 149.07 149.46 149.84 150.22 130150.60 150.98 151.37 151.75 152.13 152.51 152.89 153.27 153.65 154.03 140154.41 154.79 155.17 155.55 155.93 156.31 156.69 157.07 157.45 157.83 150158.21 158.59 158.97 159.35 159.73 160.11 160.49 160.86 161.24 161.62 160162.00 162.38 162.76 163.13 163.51 163.89 表2是该传感器在不同温度下的电阻值。测量电桥在4V供电情况下温度为100时，电桥两端可获得约30mV电压。信号处理部分：由于直接从传感器获得的信号一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用后续电路，将小信号转换成更大的电压信号或电流信号，以便于测量与处理。差分放大电路我们采用差分放大电路对电压进行放大，我们先讨论简单的差动放大器，如图6所示,Vi1、 Vi2为输入，Vo为输出。 图6 基本差动放大器输出电压 Vo=-R2R1Vi1+(1+R2R1) R4R3+R4Vi2 本实验中运算放大器采用OP07芯片, OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面。OP07管脚图如图7所示。图7 op07管脚图OP07芯片引脚功能说明： 1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接负电源或接地，5空脚 6为输出，7接正电源。实验中采用的差分放大电路如图8所示. 图8 差分放大电路该电路由三个运算放大器组成，Vo1、Vo2和Vo分别为三运放的输出电压。分析电路知流过R2、R1的电流相等，设为i，可以计算出理想的输出电压Vo. i=Vi1-Vi2R1 （式1） Vo1=Vi1+R2i （式2） Vo2=Vi2-R2i （式3） Vo=R4R3(Vo1-Vo2)=R4R3(1+2R2R1)(Vi1-Vi2) （式4） 由式4知差分放大电路的放大倍数为R4R3(1+2R2R1)，主要由R4R3及R2R1的值决定，但R1、R3太小会从集成运放中获取太大的电流，太大的R4、R2会增加电阻产生的噪声，故其放大倍数不宜太大，我们可先通过差分放大电路将电压信号放大至100mV左右，再通过后续的放大电路将其进一步放大以达到所要求值。实验中取R2=R3=10k,R4=51k,而将R1用一个1k固定电阻和10k滑动变阻器Rb串联代替，即放大倍数为5.1(1+20Rb+2),可以通过改变Rb阻值来进行调节。差分放大电路具有以下优点：1）高输入阻抗。被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。2）高共模抑制比。电路对共模信号几乎没有放大作用,共模电压增益接近零。3）低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。4）电路的增益可以通过改变电阻R1阻值来调节。二级放大电路 该部分的主要任务是对已经放大了的信号进行进一步的处理，同时协调整体电路工作，使之满足不同输出任务的需要。后续放大电路原理如图9所示图9二级放大电路Vin为输入信号即差分放大电路的输出，Vout为输出。Vin-VoR1=Vo-VoutR2 （式5）Vout=R1+R2Vo-R2VinR1 （式6）实验总体电路： 实验整体电路如附图1所示。三、需用器件与单元：传感器、实验台、实验元件箱。四、实验内容及步骤实验内容及步骤（一）：电路安装与调试该部分主要任务：完成实验电路安装、检查、调试任务。确保实验电路能正常工作。1 按附图1要求认真选择，统计各需要的原件。2 合理安排各原件在电路板上的位置。按同一功能部分原件相对集中，不同功能电路相对分开的原则安排原件，便于查找和排除故障。3 接线时认真看清楚每一根导线与电子原件的连接点，保证每一根导线连接正确。4 通电前先检查各部分电路是否连接完成，有无短路现象，特别是电解电容极性和运算放大器的电源极性。5 通电后先观察各电子原件有无异常反应，供电电源有无异常反应。6 一切正常后进行电路调零。方法如下：短接A,B两端，输出端接数字表，调节RW2使数字表显示为零。7 电路增益的调节方法按实验不同分为两种：（1） 在PT100热电阻实验中，先将增益调节电位器调节到最大，再反向调节一圈即可。（2） 在K型热电偶实验中，将增益调节电位器调节到最小即可。实验内容及步骤（二）：控制仪表及温度控制软件的使用该部分主要任务：完成实验台与温度控制箱的连线、实验台温度控制部分的相关设置、温度控制软件的使用方法及相关设置。为实验电路的实验数据采集作准备。温度控制设备：温度控制设备是由温度传感器，智能控制仪表，冷却风扇，温度试验箱等部分组成，主要任务是为温度检测实验提供稳定的温度源。实验时，由温度控制器软件调整实验箱的温度。温度控制设备接线图如图10所示。图10：温度控制设备接线图温度控制部分连线步骤1实际实验中需将温度源试验箱的24V端与实验台的0-24V“转速调节”端相连。 控制电压调整到22V（可由控制台电表监测）。2 实验台“控制对象”选择：RtVi挡。3 将pt100连接至相应的1，2，3端口。4 连接RS232串口线。5 连接“加热控制”线。6 检查1-5步骤完成无误后，开启“调节器电源”。温度控制软件是针对控制仪表而开发的软件，它可以实现控制仪表内部参数及运行参数的计算机调整从而大大简化了操作过程，降低了仪器设备的损坏率。控制仪表是一种智能型控制仪表，可应用于多种控制场合。其内部参数如表3所示。表3：内部参数表序号 符 号 名 称 说 明取 值范 围出厂值0 SP 给定值仪表量程范围50.01AL-1第一报警测量值大于AL-1值时仪表将产生上限报警。测量值小于ALM1(固定0.5)值时，仪表将解除上限报警。同上;0.02 Pb传 感器 误差修正当测量传感器引起误差时，可以用此值修正020.0 0.03 P速率参数 P值类似常规PID调节器的比例带,但变化相反,P值越大,比例、微分的作用成正比增强, P值越小,比例、微分的作用相应减弱,P参数值与积分作用无关。 设置P=0仪表转为二位式控制。19999 1004 I保持参 数 I参数值主要决定调节算法中的积分作用,与常规PID算法中的积分时间类同,I值越小,系统积分作用越强,I值越大,积分作用越弱。设置I=0时，系统取消积分作用,仪表成为一个PD调节器。03000 5005 d滞后时 间 D参数对控制的比例、积分、微分均起影响作用,D越小,则比例和积分作用均成正比增强;反之,D越大,则比例和积分作用均减弱,而微分作用相对增强。此外D还影响超调抑制功能的发挥,其设置对控制效果影响很大。02000S 100S6FILT滤波系 数为仪表一阶滞后滤波系数，其值越大，抗瞬间干扰性能越强，但响应速度越滞后，对压力、流量控制其值应较小，对温度、液位控制应相对较大。099 207 dp小数点位置当仪表为电压或电流输入时，其显示上限、显示下限、小数点位置及单位均可由厂家或用户自由设定，其中当dp=0时小数点在个位不显示，当dp=13时，小数点依次在十位、百位、千位。 当仪表为热电偶或热电阻输入时, 当dp=0时小数点在个位不显示，当dp=1时，小数点在十位。03 0或1或按需求定8outH输出上 限当仪表控制为电压或电流输出（如控制阀位时），仪表具有最小输出和最大输出限制功能。 outL200按需求定9outL输出下 限同上0outH按需求定10 AT自整定状态 0: 关闭; 1:启动01 011LocK密码锁为0时，允许修改所有参数，为1时，只允许修改给定值（SP），大于1时，禁止修改所有参数050012Sn输入方 式Cu50 50.0150.0；Pt100(Pt1) 199.9200.0；Pt100 (Pt2)199.9600.0；K -30.01300；E -30.0700.0 ； J -30.0900.0；T -199.9400.0； S -301600；R -30.01700.0； WR25 -30.02300.0 ； N -30.01200.0 ； 050MV ； 1050MV； 05V(010mA) ； 15V(420mA) ； 频率 f； 转速 u分度号按需求定13OP-A主控输出方 式0无输出； 1继电器输出；2固态继电器输出； 3过零触发； 4移相触发；5010mA或05V； 6420mA或15V；7阀位控制0714OP-B副控输出方 式0无输出；1RS232或RS485通讯信号；0415ALP报警方 式0无报警； 1上限报警；2下限报警； 3上下限报警（注）4正偏差报警； 5负偏差报警；6正负偏差报警（注） 7区间外报警；8区间内报警 9 上上限报警（注）10 下下限报警（注）01016COOL正反控制选 择 0:反向控制,如加热; 1:正向控制,如制冷 01 017 P-SH显示上 限当仪表为热电偶或热电阻输入时, 显示上限、显示下限决定了仪表的给定值、报警值的设置范围,但不影响显示范围。当仪表为电压、电流输入时，其显示上限、显示下限决定了仪表的显示范围,其值和单位均可由厂家或用户自由决定。P-SL9999按需求定18P-SL显示下 限 同上-1999P-SH按需求定19Addr通讯地 址仪表在集中控制系统中的编号063120bAud通讯波特 率1200； 2400； 4800； 96009600温度控制软件使用方法：1 进入“温度控制仪软”件文件夹，双击“温度控制仪软”图标，即可进入温度控制界面。2 控制界面如图11所示。图11温度控制界面 界面上部为菜单栏，由“通讯设置”，“曲线设置”、“历史记录”、“打印”、“退出”等选项组成。3 运行时，先点击菜单栏“通讯设置”进行通讯设置。点击“通讯设置”后，出现图12界面。图12通讯设置界面注：通讯设置界面的参数选择一般为默认值点击“确定”后，进入“控制界面”4 温度“控制界面”如图13所示。温度控制设置项图13温度控制界面仪表参数的设置：进入仪表参数设置界面，按下面各项要求设置参数。1 Sn (输入方式)：Pt12 oP-A (主控输出方式)：2（固态继电器）3 oP-b (副控输出方式)：14 ALP (报警方式) ：1（上限报警）5 CooL (正反控制选择) ：0（反向控制）6 P-SH (显示上限) ：1007 P-SL (显示下限) ：08 AL-1(上限报警)：1009 Pb (传感器误差修正)：010 P (速率参数)：28011 I (保持参数)：38012 d (滞后时间) ：7013 FILt (滤波系数) ：214 dp (小数点位置) ：115 outH (输出上限) ：11016 outL (输出下限) ：017 At (自整定状态) ：0（关闭）18 LoCK (密码锁) ：0实验温度设定：实验时进入“实验观察界面”，按实验要求分别设定实验温度。注意：实验时只调整温度设置参数，不要调整其他参数，以免影响实验数据。实验内容及步骤（三）：温度测量电路实验数据采集及处理该部分主要任务：对已安装调试好的温度测量电路进行温度测量实验、记录实验数据、画出实验曲线、分析实验结果、完成实验报告。热电阻，热电偶与测量电路输入端实验连接方法如图14所示。图14：热电阻，