《电子技术综合与应用》第6章 温度测量控制仪项目

第6章温度测量控制仪项目6.1问题的提出6.2问题的分析6.3资料查阅及电路的选择和确定6.4绘制本项目电路原理图6.5设计本项目印制电路板图6.6安装调试本项目电路6.7项目总结

6.1问 题 的 提 出

某一太阳能热水器生产厂家欲推出一款新型太阳能热水器，要求该热水器除了能进行太阳能加热以外还能满足用户在阴天的情况下用电加热的方法对水加热，用户除了能在室内观察水的温度，还可根据需要自动调节加热的温度。为实现这款新型太阳能热水器的功能，该厂家需要一个温度测量控制仪。该温度测量控制仪的要求如下：

(1)温度测量范围为0～100℃，测量精度为1.5%。

(2)给定温度控制范围为0～100℃，控温动作温差2℃。

(3)加热器功率为1000W。

6.2问 题 的 分 析

温度是一个非电量，如前“水位控制器项目”中所述，对非电量信号必须有相应的传感器把非电量信号转换成电量信号后才能用电子电路对其进行处理(显示、控制等)。如果将温度变化转化为电阻或电压的变化，通过一定的测量转换电路，就可以用这些电量的变化来表示所测量的温度的变化。常用的温度传感器有两大类：一类是将温度变化转化为电阻值变化的热敏电阻，另一类是将温度变化转化为电压变化的热电偶类。温度测量电路的功能框图如图6-1所示。图6-1温度检测控制原理框图6.2.1温度传感器

温度传感器主要有电阻式温度传感器、电容式温度传感器、半导体式温度传感器、热电偶式温度传感器、集成温度传感器、红外辐射温度传感器、压力式温度传感器、双金属温度传感器等。它们的工作原理、性能、特点及用途各不相同。只有对温度传感器有所了解才能合理地选用传感器。

1．热电阻式温度传感器

利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻式温度传感器，它主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测。按热电阻的性质，可将热电阻分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，通常将前者称为热电阻，将后者称为热敏电阻器。

热电阻由热电阻丝、绝缘骨架、引出导线等组成，其中热电阻丝是热电阻的主体。目前使用的热电阻丝制造材料有铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)和钨(W)等。图6-2所示为这几种金属材料电阻变化率随温度变化的曲线。图6-2金属材料电阻变化率随温度变化的曲线导体或半导体的电阻随温度的变化而变化的现象称为热电阻效应，热电阻就是利用热电阻效应制成的。热电阻按电阻-温度特性的不同，可分为金属热电阻和半导体热电阻。金属热电阻的电阻-温度特性通常表现为当温度升高时其电阻增大(正温度系数)，而半导体热电阻通常是随温度的升高其电阻减小(负温度系数)。

热电阻具有测量精度高、测量范围大的特点，易于在自动测量和远距离测量中使用。与热电偶相比，热电阻没有参比端误差问题。热电阻丝作为热电阻的主体部分，对其材料的要求如下：

(1)温度系数大而且稳定，以便提高热电阻的灵敏度。

(2)电阻率大，以减小电阻体的体积。

(3)具有稳定的化学和物理性能。

(4)热容量尽量小，以提高热电阻的响应速度。

(5)输出特性好，即电阻随温度的变化接近于线性。金属热电阻广泛使用的电阻丝材料有铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)、铁(Fe)等。这些材料的电阻率与温度的关系，可近似用下面的二次方程来描述，即

ρ = at2 + bt + c

式中，ρ为电阻率，t为温度，a、b、c为由实验确定的常量。

1)常用的热电阻

热电阻一般常用于低温为 -200～0℃，中温为0～350℃，高温为350～500℃的温度测量。随着技术的发展，其测量范围也在不断扩展，高温测量出现了多种用于1000～1300℃温度测量的传感器。用热电阻测量温度时，要在外部施加电源，使流经热电阻的电流为额定值，测量该电流在热电阻两端产生的电压降，从而达到测量温度的目的。热电阻的测量精度高，尤其是测量常温下的温度比热电偶温度仪更适宜。

工业上常用的作为温度传感器的热电阻有铂电阻和铜电阻。

(1)铂电阻。铂是一种贵重金属，它具有性能稳定、重复性好、精度高等优点，在工业中得到了广泛的应用。

铂电阻体是用很细的铂丝(φ0.03～φ0.07 mm)绕在用云母片制成的平板形支架上，铂丝绕组的出线端与银丝引出线相焊接，并穿上瓷套管加以绝缘和保护。

铂电阻在高温下时，其物理、化学性质都非常稳定。铂电阻的使用温度范围在-200～+650℃之间，铂电阻的电阻值与温度的关系可表示为在0～650℃范围内时

Rt = R0(1 + At + Bt2)

式中，Rt为温度为t时的电阻值，R0为温度是0℃时的电阻值，A、B、C为常数。对于常用的工业铂电阻，A = 3.908 02×10－3/℃，B = -5.802×10-7/℃。

我国工业常用的铂电阻为Pt10和Pt100两种。

(2)铜电阻。铂是贵重金属，在一些测量精度不高且温度较低的地方一般采用铜电阻。铜电阻体是一个铜丝绕组(包括锰铜补偿部分)，它是由直径约为0.1 mm的铜丝双绕在圆柱形塑料支架上。用铜电阻可测量-50～+150℃的温度，铜电阻的电阻值与温度(基本上)呈线性关系，可用下式表示：

Rt = R0(1 + at)

式中，R0、Rt分别表示0℃和t℃时的电阻值；a为温度系数，其值为4.28×10－3/℃。铜电阻有下列特点：

(1) -50～+150℃温度范围内，铜的电阻与温度呈线性关系。

(2)与铂电阻相比，铜电阻温度系数高，电阻率低。

(3)工艺性好，容易提纯，价格便宜。

(4)容易氧化，不适宜在腐蚀介质下工作(一般工业用铜电阻外部有保护管)。

2)热敏电阻

热敏电阻是一种由半导体材料制成的敏感元件。其工作原理是利用半导材料电阻随温度变化而显著变化的物理特性将温度变量转换成电量。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、制作简单、寿命长、工作稳定、便于实现远距离测量和控制等特点。

热敏电阻器是非线性电阻器，其阻值随温度变化呈指数关系。热敏电阻器按其基本性能分为三类：负温度系数(NTC)热敏电阻器、正温度系数(PTC)热敏电阻器和临界温度(CTR)热敏电阻器。其中负温度系数(NTC)热敏电阻器使用的最多，负温度系数热敏电阻器的阻值与温度的关系可表示为

式中，Rt、R0分别为温度T(K)和T0(K)的阻值；B为热敏电阻的材料常数，一般情况下，B的取值为2000～6000K，在高温下使用，B值将增大。热敏电阻器的温度特性曲线如图6-3所示。其中曲线2、5表示负的电阻温度系数；曲线3、4表示正的电阻温度系数；l表示电阻温度特性。NTC热敏电阻器常用于测量温度和温度补偿；PTC热敏电阻器和CTR热敏电阻器在一定温度范围内，阻值随温度急剧变化，可用于检测特定温度和温度控制。NTC热敏电阻器的温度系数一般为(-2%～-6%)/℃，PTC热敏电阻器的温度系数一般为(1%～10%)/℃，而CTR热敏电阻器的温度系数则大于10%/℃。

热敏电阻器的伏安特性如图6-4所示。曲线1为线性电阻的伏安特性；曲线2、3、4为不同热敏电阻器的伏安特性，它们的变化规律符合某种指数关系。图6-3热敏电阻温度特性图6-4热敏电阻伏安特性热敏电阻器的主要技术参数主要有：

(1)标称阻值。标称阻值一般指25℃时热敏电阻器的电阻值(又称冷阻阻值)。在测量热敏电阻器的标称阻值时，必须在标称温度下进行，并应注意测量仪表的测量电流不要太大(如用万用表低欧姆挡)，不致引起电阻体的温升，以免影响测量的准确度。用万用表测量时，测量时间应尽量短，这样做可以提高测量准确度(手的温度也将影响测量的准确性)。

(2)电阻温度系数。电阻温度系数是指温度每变化1℃时热敏电阻器阻值的变化率，单位是%/℃。

(3)额定功率。额定功率是指在标准大气压和最高环境温度下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。在实际使用时，热敏电阻器所消耗的功率不得超过额定功率。

3)时间常数

时间常数是表述热敏电阻器热惯性的参数。时间常数越小，表明热敏电阻器的热惰性越小，即温度变化后电阻达到稳定值的时间越短。

表6-1、表6-2和表6-3给出了常用热敏电阻器的型号和参数。

半导体热敏电阻的主要缺点是线性度不好、一致性差。表6-1常用热敏电阻器的型号和参数(一)

表6-2常用热敏电阻器的型号和参数(二)

表6-3常用热敏电阻器的型号和参数(三)

2．热电偶式温度传感器

利用热电效应制成的温度传感器称为热电偶式温度传感器。热电偶式温度传感器是工业中另一类常用的温度传感器。

1)热电效应和热电偶

两种不同的金属材料A和B(称为热电极)组成闭合回路，如图6-5所示。若两端节点温度不同(分别为T0和T)，则回路中就会有热电动势，因而产生热电流，这一现象就是所谓的热电效应。

测量温度时，节点2置于被测的物体中，该端称为测量端(工作端、热端)。节点1一般处于某一恒定的温度环境中，称为参考端(自由端、冷端)。由这两种导体的组合构成热电偶。图6-5热电偶示意图

2)热电偶的热电动势

热电偶的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。

接触电动势产生的原因是，由于两种不同的金属材料A、B的接触，A、B中的自由电子向对方扩散，而产生电动势。当A、B中的自由电子相等时，达到动态平衡。热电偶的接触电动势的表达式为

式中，K为玻尔兹曼常数(K=1.38×10－16)，T为绝对温度，nA、nB为材料A、B的自由电子密度。

接触电动势与金属的形状、尺寸无关。温差电动势产生的原因是，任何一种金属材料的两端温度不同时，自由电子的浓度不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小，由此高温端的自由电子要向低温端扩散，最后达到动态平衡。高温端失去电子带正电，而低温端得到电子带负电，从而在高、低温端形成温差电动势。该电动势的大小与两端的温差大小有关。热电偶的温差电动势的表达式为

EAB(T,T0) = UT -UT0所以，热电偶的总电动势为

在标定热电偶时，T0为常数，这样，热电偶的总电动势就只与温度T有关了。对于不同的热电偶，其电动势与温度有着不同的函数关系，一般用实验的方法可以得到，实验时一般T0 = 0℃。对于标准的热电偶，热电动势与温度的关系有标准的参数表(热电偶分度表)可以查阅。

工业中常用的标准热电偶有：T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型、S型。其特性与用途见表6-4。表6-4常用标准热电偶的特性与用途

3．集成温度传感器

集成温度传感器是利用半导体PN结的电流电压与温度之间的特性关系制成的。这种温度传感器把温度测量电路、温度补偿电路、驱动电路及信号处理电路集成封装在一起，具有信号大、线性度好、体积小、使用方便等优点，但不适于温度较高的场合。

不同的集成温度传感器具有不同的特性，其应用电路也不相同，使用时需要查阅生产厂家的有关手册。常用的集成温度传感器有AD594、LM35等，其有关参数这里不作说明。

4．温度传感器选用

在工程实际中对温度传感器的选用需要考虑多方面的因素。例如，选择温度传感器时需要考虑所需测量温度的范围，测量的精度，温度传感器的价格，以及是否便于调试、便于维修、便于批量生产等。

在本项目中，用于测量控制温度的范围在0～100℃，测量精度为1.5%(即允许误差为±1.5℃)，并且该温度测量控制器用于民用产品，要求材料的成本低，并且批量生产，综合考虑各种因素可以选择铜热电阻Cu100。6.2.2温度测量电路

1．电桥电路

不同的传感器需要用不同的测量电路。本项目中采用铜热电阻温度传感器，可以采用如图6-6所示的温度测量电路。

图6-6所示是一电桥电路，供电的电源为5 V，信号从A、B点输出。为保证测量的精度，要求电桥的电源很稳定，需要高精度的稳定电压源。图6-6铜热电阻温度测量电桥当温度升高时，铜热电阻的阻值增加，A点电位升高而B点电位不变，因此电桥的输出电压UAB增加；反之，温度降低时，铜热电阻的阻值减小，UAB也减小，从而把温度变化转化成电压信号的变化。

电阻R1取值5 kW 左右，保证流过铜热电阻的电流在1 mA左右。流过铜热电阻的电流不宜过大，否则过大的电流会导致铜热电阻自身发热而影响温度的测量。R1过大则流过铜热电阻的电流太小。当温度变化时，电桥输出的电压信号太小，也会影响温度测量。RP1采用多圈精密电位器。

工业标准铜热电阻Cu100的分度表见表6-5。表6-5Cu100铜热电阻分度表

调整时用标准精密电阻箱代替铜热电阻。

2．放大电路

电桥电路随温度变化而变化的输出电压信号很小，实际应用时必须对该输出信号加以放大。由于温度的变化是一比较缓慢的信号，所以放大电路是一直流放大电路，可以采用集成运放构成直流放大电路。因为电桥电路的输出信号比较小，运放应采用低漂移集成运放，如采用OP-07型低漂移运算放大器。具体的放大电路见图6-7。图6-7温度测量放大电路放大电路的放大倍数为放大电路的放大倍数需要与其后的显示器相匹配。若采用数字显示，则需要与用于数字显示的A/D转换器匹配。若用指针式表头指示温度，则需要与显示表头匹配，如所用的是电流表头还是电压表头。如果是电流表头，则运放输出的电流应能满足表头满量程偏转驱动的需要；如果是电压表头，则运放的输出电压应能驱动表头满量程偏转。

本项目采用数字显示，显示电路见图6-8。图6-8ICL7107构成的数字显示电路该显示电路的基准电压为0.5 V，当Vin=VREF时，数字显示为1000，即Vin每变化0.5 mV，数字显示变化1个数字。其输入阻抗极高，远大于1 MΩ。有关数字显示的详细内容见“多量程直流数字电压表项目”。

为了与该显示电路匹配，放大电路的放大倍数在电路的实际调试过程中确定(应略大于显示电路输入信号的需要，然后调整分压电路，使温度的变化与显示值一致)。

如此，电桥电路、放大电路、显示电路共同构成了一个温度测量电路。6.2.3温度控制电路

简单的温度控制电路可以采用由运放构成的迟滞比较电路，电路见图6-9。图6-9温度控制电路电路中，R8、V2构成一个并联稳压电路，用于作为控制温度给定电路的电源，TL431是一精密集成稳压电路，在图示电路的情况下，稳压值为2.5 V。改变RP的值可以调整给定的温度(电压值)。R9、R10、R11、R12、R13、LM741、C1构成一个迟滞比较电路；R14、V3、VD1、K1构成继电器输出电路。当Vc低于给定电压(对应于给定温度)时，运放输出高电平，三极管V3导通，继电器K1得电吸合，使电加热器加热；当Vc高于给定电压(对应于给定温度)时，运放输出低电平，三极管V3截止，继电器K1因失电而释放，使电加热器停止加热，如此达到控制温度的目的。改变R13、R11的值可以改变比较器的迟滞回差，也就是改变控温动作温差。电容C1用于提高抗干扰能力，防止运放误动作。二极管VD1用于保护三极管V3不被继电器释放时的感应电动势击穿。选用继电器时要注意继电器的触头负载能力。

6.3资料查阅及电路的选择和确定

本项目已经提供了一个比较完整的温度测量控制电路，可以按照前述内容进行项目操作。

在6.2节中介绍了很多温度传感器，请查阅相关资料选择其中的一种传感器，对其工作原理、特点、用途、应用等做一分析，提出自己的见解。

6.4绘制本项目电路原理图

根据前面的分析，用Protel软件绘制电路的原理图，并列出电路元器件的采购清单，元件采购清单应包括元件的设计序号，元件的型号、参数，元件采购的数量等。注意，本项目的电路中并没有考虑电源部分，如电源电压、电源提供的功率要求等，在绘制电路原理图时需要加以考虑，参见“直流稳压电源项目”。对于温度给定电路(给定温度值)，可以通过拨动开关切换数字显示部分输入信号的方式，通过数字显示部分显示出来。即当开关打到某一挡位时，显示测量到的实际温度；当开关切换到另一位置时，显示给定的温度值。同时也请考虑用发光二极管显示加热状态的电路。

6.5设计本项目印制电路板图

根据本项目原理图，设计印制电路板图，提出对电路板的加工要求。在设计印制电路板时要注意继电器输出的铜箔导线必须加粗，以便导线能通过足够大的电流。如果采用接插件连接方式，则也要考虑接插件通过电流的能力。

6.6安装调试本项目电路

6.6.1安装本项目电路

根据原理图及元件排列图(元件排列图可以通过彩色打印机把PCB图包含顶层、底层、综合层及丝网层一起打印出来而得到)安装电路。注意了解前面项目中所述的有关元器件安装、焊接等相关内容，并参照安装电路。经检查安装无误以后，接通电源，进入电路的调试阶段。6.6.2调试本项目电路

电路的调试分如下三部分进行。

1．直流稳压电源部分的调试与检测

一般只要测量整流滤波后的电压及稳压器后的电压是否正常即可。不正常，则需排除故障；如果电路正确、安装无误，则不需要调试。

2．温度测量电路调试

(1)用精密电阻箱代替铜热电阻，接至电路中，拨动开关切换到测温显示位置。

(2)电阻箱调整到100.00 Ω，调整RP1，使显示的数字为00.0。

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