Pt100数字温度计设计

Pt100数字温度计设计 综合设计实验 忻州师范学院 物本0903班 门聪杰 学号：200909110132 指导教师：秦巍摘要：本实验是靠铂电阻来采集温度并实现数字显示的一种温度计，其利用金属铂的电阻随温度单值变化的规律来测量温度。实验首先根据金属电阻温度系数的测定原理和方法测量金属电阻铂与温度的关系，由测定结果得出Pt100的电阻-温度函数关系。再利用铂电阻的温度电阻特性,进行数字温度计的设计。关键字：数字温度计 温度系数 铂电阻 测温传感器引言温度传感被广泛用于农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。无论是在工业、农业、科学研究、国防和人们日常生活的各个方面，温度测量和控制都是几位重要的课题。随着电子技术和材料科学的发展，对各种新型的热敏原件及温度传感器要求结构先进、性能稳定，以满足对温度测量和控制技术提出的越来越高的要求。本设计的主要目的是设计精确度相对较高的数字温度计，此温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，广泛用于电力、石油、化工、建材等行业的过程监控系统中，特别对测温比较准确的场所，或科研实验室更方便使用。1、pt100数字温度计设计的原理1.1、电阻温度系数各种导体的电阻随着温度的升高而增大，在通常温度下，电阻与温度之间存在着线性关系，可用下式表示R=R0（1+t） （1）式中，R是温度为t时的电阻；R0为0时的电阻；称为电阻温度系数.严格说，和温度有关，但在0-100范围内，的变化很小，可以看作不变.12、铂电阻导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器.，能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性：（1） 电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；（2） 电阻率高，热容量小，反映速度快；（3） 材料的复现性和工艺性好，价格低；（4） 在测量范围内物理和化学性质稳定.目前，在工业应用最广的材料是铂铜.铂电阻与温度之间的关系，在0630.74范围内用下式表示RT=R0(1+AT+BT2) (2)在-200-0的温度范围内为RT=R01+AT+BT2+C(T-100)T3 (3)式中，R0和RT分别为在0和温度T时铂电阻的电阻值，A、B、C为温度系数，由实验确定，A=3.9080210-3-1，B=-5.8019510-7-2，C=-4.2735010-12-4.由式（2）和式（3）可见，要确定电阻RT与温度T的关系，首先要确定R0 的数值，R0 值不同时，RT与T的关系不同.目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻 R0 值有100和500两种，并将电阻值RT与温度T的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度号分别用Pt100和Pt500表示.铂电阻在常用的热电阻中准确度较高，国际温标ITS-90中还规定，将具有特殊构造的铂电阻作为13.5033K961.78标准温度计使用，铂电阻广泛用于-200850范围内的温度测量，工业中通常在600以下.1.3、具体设计利用铂电阻测温，常使用电桥电路来实现温度-电压转化，最佳方案是采用恒流源电桥电路，如图1所示，调节Rw1可使Va=IRt,那么Vout=Vb-Va=IR电桥输出电压Vout与Pt100的变化量R成比例.ab图1R5RW1R6R1R3R2RtVoutEcI图2ab本实验是使用如图2所示的热敏电阻温度传感器实验模板来实现温度-电压转化的.再进行标定后,将该数字温度计放到不同温度的环境里,用万用表读出放大器输出端的电压V02,便可知道所处环境的温度.2、pt100数字温度计设计2.1、Pt100的R-t曲线的测定 (1)安装好实验装置，连接好电缆线，打开电源开关将金属电阻Pt100置于恒温加热盘中，用数字多用表测量出金属电阻Pt100的阻值.(2).顺时针调节“温度粗选”和“温度细选”钮到底，打开加热开关, 加热指示灯发亮（加热状态），同时观察恒温加热盘温度的变化，当恒温加热盘温度即将达到所需温度（如50.0）时逆时针调节“温度粗选”和“温度细选”钮使指示灯闪烁（恒温状态），仔细调节“温度细选”使恒温加热盘温度恒定在所需温度（如50.0）.用数字多用表测量出所选择温度时金属电阻Pt100的阻值.(3).重复以上步骤，选择恒温加热盘的温度为60、70、80、90、100时，数字多用表测量出所选择温度时金属电阻Pt100的阻值（如表1）.根据上述实验数据，绘出R-t曲线（如图3）.(4）求Pt100的电阻温度系数根据R-t曲线，从图上任取相距较远的两点t1-R1及t2-R2根据（1）式有：R1=R0+R0t1R2=R0+R0t2联立求解得：= （R2- R1）/（ R1t2- R2t1）实验数据： 表1T()165060708090100R()115.73119.19123.03126.87130.68134.35137.79测得的Pt100的R-t曲线B(90,134.35)A(50,119.19) 图3在图3中任取两个点A、B其对应的坐标为：A(50,119.19) B(90,134.35)所以有：R1=119.19 T1=50 R2=134.35 T2=90根据(1)式有: R1=R0+R0t1 R2=R0+R0t2联立求解得:= (R2- R1)/( R1t2- R2t1)=(134.35-119.19)/(119.1990-134.3550) 0.00379758按IEC751国际标准， 温度系数=0.003851，Pt100（R0=100）、Pt1000（R0=1000）为统一设计型铂电阻。百分差 E=0.00379758-0.0038510.0038511001.32.2、数字温度计的设计与标定方法1:1).将Pt100温度传感器引线接入实验模板a、b之间,Ec接入直流10mA的恒流源, 将15V电源接入模板,用连接线连接V01与放大器R6、R7输入端.2).将Pt100温度传感器置于0的环境中(如冰水混合物),万用表档位选择在DC 20V档,调节Rw1使V02为0.000V.3).将Pt100温度传感器置于恒温腔中,加热至100.0,调接Rw2使V02为1.000V(0.001V相当于0.1).4).重复1、2步使误差最小.方法1测得数据：表2T()10090807060504030U(mv)999.6899.3799.0698.5597.8496.4395.8295.2将方法一中所测得实验数据进行处理： 表3 标准温度t/10090807060504030 测量温度t/99.9689.9379.9069.8559.7849.6439.9229.52 绝对误差t/0.040.070.100.150.220.360.420.48 图4绘出标准温度与绝对误差温度的曲线如下： 图5方法2:1）.放大器调零:将Pt100温度传感器引线接入实验模板a、b之间，Ec接入直流5V电压,R2端接入1000uA的恒流源,用连接线连接V01与放大器R8、R7输入端，然后短路接入端,调节Rw2使放大器输出为0.2).将Pt100温度传感器置于50.0的环境中（如恒温腔恒温在50.0），去掉放大器输入端的短路线,调接Rw1使V03为0mV.3）.加热至100.0，调接Rw2使V02为500mV(1mV相当于0.1).4）对方法2所设计的数字温度计进行检验将方法2所设计的数字温度计的Pt100温度传感器分别置于100.0、95.0、90.0.0、85.0、80.0、75.0、70.0、65.0、60.0、55.0、50.0的环境中，并用万用表读出其相对应的电压V02的值，再将各V02的值与它们相对应的温度进行对比。 表4T()100 95908580757065605550U(mv)500.0449.1398.7348.1297.9247.2196.8146.398.447.60.9将方法二中所测得实验数据进行处理： 表5标准温度t/505560657075测量温度t/0.094.769.8414.6319.6824.72绝对误差t/0.090.240.160.170.320.28标准温度t/80859095100测量温度t/29.7934.8139.8744.9150.00绝对误差t/0.210.190.130.090.00 图6绘出标准温度与绝对误差温度的曲线如下： 图74.注意事项供电电源插座必须良好接地;在整个电路连接好之后才能打开电源开关;严禁带电插拔电缆插头.结束语:通过对于本课题的研究,成功设计出了一种基于铂电阻Pt100 的数字温度测量工具。它具有原理简单、性价比高、操作简单等特点。由于设计 本身的特点,温度计存在一定的误差。总结其原因,主要有以下几个方面:(1) 在进行温度电阻关系测量时,铂电阻的温度变化较快,而温度计的显示变化较慢,导致读数的误差。这就使得进行电阻电压温度换算时产生误差;(2) 所采用的分压电阻应该为2k ,而实际的电阻有一定的误差,由于铂电阻Pt100 的电阻变化范围在80至150之间,实际的分压值不等于计算的分压值,产生误差;(3) 实验所采用的电压源并不是精确的5V 电压,影响数据采集精度;(4) 在函数计算的过程中存在一个尾数的取舍问题,导致一定的误差。根据以上分析,可在下面几方面进行改进:(1) 采用灵敏度很高的已校准的热敏电阻代替温度计;(2) 尽可能的延长测量时间和增加测量次数,以减小误差;(3) 采用高准确度的器件。参考文献：1 俞阿龙,李正. 热敏电阻温度传感器的一种线性化设计J . 工业仪表与自动化装置,2003 ,28 (5) :8 - 9.2 王红萍. 铂电阻温度传感