常用溫度傳感器測量電路設(shè)計實驗指導(dǎo)書

1、常用溫度傳感器測量電路設(shè)計實驗指導(dǎo)書自動化工程學(xué)院常用溫度傳感器測量電路設(shè)計實驗指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康模狠敵隽勘緦嶒炓笤O(shè)計并制作一個常用溫度傳感器測量電路，要求測量溫度在常溫100 之間，輸出為電壓信號。該電路即可用于熱電阻溫度測量也可用于熱電偶溫度測量。二、 基本原理:溫度測量過程原理：圖1：溫度測量過程原理溫度測量過程原理如圖1所示:信號采集：由熱電偶或熱電阻傳感器負責(zé)將被測體的相關(guān)物理量轉(zhuǎn)化為電信號。 信號處理部分：負責(zé)對信號進行放大，整形，降噪,標準化等處理。 輸出顯示部分：負責(zé)對處理后的各種信號進行可視化處理，便于人們直觀的讀出相關(guān)的物理量。該部分可以是計算機 或數(shù)碼管 或顯示儀表等

2、。該實驗只涉及信號采集，信號處理部分的相關(guān)電路設(shè)計，安裝，調(diào)試等內(nèi)容。設(shè)計思路: 溫度檢測電路總體設(shè)計思路：如圖2所示，被測物體溫度經(jīng)過溫度傳感器元件以及相關(guān)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)后續(xù)放大電路放大調(diào)節(jié)后輸出，再用數(shù)字顯示表頭顯示檢測到的溫度信號。圖2溫度檢測電路組成傳感器部分：熱電偶傳感器：是將A和B二種不同金屬材料的一端焊接而成如圖3。A和B稱為熱電極，焊接的一端是接觸熱場的T端稱為工作端或測量端，也稱熱端；未焊接的一端處在溫度T0稱為自由端或參考端，也稱冷端(接引線用來連接測量儀表的兩根導(dǎo)線C是同樣的材料，可以與A和B不同種材料)。 T與T0的溫差愈大，熱電偶的輸出電動勢愈大；溫差為0

3、時，熱電偶的輸出電動勢為0；因此，可以用測熱電動勢大小衡量溫度的大小。國際上，將熱電偶的A、B熱電極材料不同分成若干分度號，如常用的(鎳鉻-鎳硅或鎳鋁)、(鎳鉻-康銅)、(銅-康銅)等等，并且有相應(yīng)的分度表即參考端溫度為0時的測量端溫度與熱電動勢的對應(yīng)關(guān)系表；可以通過測量熱電偶輸出的熱電動勢值再查分度表得到相應(yīng)的溫度值。實驗中用分度號為K的熱電偶。 圖3：熱電偶示意圖表1：K熱電偶溫度與輸出電壓的關(guān)系 分度號：K （參考端溫度為0） 測量端溫度（） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 熱 電 動 勢 （mV） 00.0000.0390.0790.1190.1580.1980.2380.27

4、70.3170.357100.3970.4370.4770.5170.5570.5970.6370.6770.7180.758200.7980.8380.8790.9190.9601.0001.0411.0811.1221.162301.2031.2441.2851.3251.3661.4071.4481.4891.5291.570401.6111.6521.6931.7341.7761.8171.8581.8991.9491.981502.0222.0642.1052.1462.1882.2292.2702.3122.3532.394602.4362.4772.5192.5602.6012.

5、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.

6、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.

7、2991807.338計算公式：E(t, t0)=E(t, t0)+E(t0, t0) 式中：E(t, t0)-熱電偶測量端溫度為，參考端溫度為t0=0時的熱電勢值； E(t, t0)-熱電偶測量溫度，參考端溫度為t0不等于0時的熱電勢值；E(t0, t0)-熱電偶測量端溫度為t0，參考端溫度為t0=0時的熱電勢值。 例：用一支分度號為(鎳鉻-鎳硅)熱電偶測量溫度源的溫度，工作時的參考端溫度(室溫) t0=20，而測得熱電偶輸出的熱電勢(經(jīng)過放大器放大的信號，假設(shè)放大器的增益A=10)32.7mv，則E(t, t0)=32.7mV/10=3.27mV，那么熱電偶測得溫度源的溫度是多少呢? 解：

8、由表1 查得： E(t0, t0)=E(20,0)=0.798mV 已測得 E(t, t0)=32.7mV/10=3.27mV 故 E(t, t0)=E(t, t0)+E(t0, t0)= 3.27mV+0.798mV=4.068mV 熱電偶測量溫度源的溫度可以從分度表中查出，與4.068mV所對應(yīng)的溫度是100。鉑電阻：是將0.050.07的鉑絲繞在線圈骨架上封裝在玻璃或陶瓷內(nèi)構(gòu)成，圖4是鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)圖。在0500以內(nèi)，它的電阻Rt與溫度t的關(guān)系為：Rt=Ro(1+At+Bt2)，式中： Ro系溫度為0時的電阻值(本實驗的鉑電阻Ro100)。A3.9684×103，B5.847&

9、#215;1072。鉑電阻一般是三線制，其中一端接一根引線另一端接二根引線，主要為遠距離測量消除引線電阻對橋臂的影響(近距離可用二線制，導(dǎo)線電阻忽略不計)。圖4鉑熱電阻結(jié)構(gòu)實際測量時將鉑電阻隨溫度變化的阻值通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓的變化量輸出，再經(jīng)放大器放大后直接用電壓表顯示，如圖5所示。圖5熱電阻信號轉(zhuǎn)換原理圖圖中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熱電阻一般應(yīng)用在冶金、化工行業(yè)及需要溫度測量控制的設(shè)備上，適用于測量、控制600的溫度。本實驗由于受到溫度源及安全上的

10、限制，所做的實驗溫度值100。 表2：Pt100 鉑電阻分度表(tRt對應(yīng)值) 分度號：Pt100 Ro=100 =0.003910 溫度（） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 電 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 20107.91 108.31 108.70 109.10 109.49 109.88 110.28 110.6

11、7 111.07 111.46 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

12、.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.

13、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 150158.21 158.5

14、9 158.97 159.35 159.73 160.11 160.49 160.86 161.24 161.62 160162.00 162.38 162.76 163.13 163.51 163.89 表2是該傳感器在不同溫度下的電阻值。測量電橋在4V供電情況下溫度為100時，電橋兩端可獲得約30mV電壓。信號處理部分：由于直接從傳感器獲得的信號一般都很微小，既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用后續(xù)電路，將小信號轉(zhuǎn)換成更大的電壓信號或電流信號，以便于測量與處理。差分放大電路我們采用差分放大電路對電壓進行放大，我們先討論簡單的差動放大器，如圖6所示,Vi1、 Vi2為輸入，Vo

15、為輸出。 圖6 基本差動放大器輸出電壓 Vo=-R2R1Vi1+(1+R2R1) R4R3+R4Vi2 本實驗中運算放大器采用OP07芯片, OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放 大傳感器的微弱信號等方面。OP07管腳圖如圖7所示。圖7 op07管腳圖OP07芯片引腳功能說明： 1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接負電源或接地，5空腳 6為輸出，7接正電源。實驗中采用的差分放大電路如圖8所示

16、. 圖8 差分放大電路該電路由三個運算放大器組成，Vo1、Vo2和Vo分別為三運放的輸出電壓。分析電路知流過R2、R1的電流相等，設(shè)為i，可以計算出理想的輸出電壓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知差分放大電路的放大倍數(shù)為R4R3(1+2R2R1)，主要由R4R3及R2R1的值決定，但R1、R3太小會從集成運放中獲取太大的電流，太大的R4、R2會增加電阻產(chǎn)生的噪聲，故其放大倍數(shù)不宜太大，我們可先通過差分放大電路將電壓信號放大

17、至100mV左右，再通過后續(xù)的放大電路將其進一步放大以達到所要求值。實驗中取R2=R3=10k,R4=51k,而將R1用一個1k固定電阻和10k滑動變阻器Rb串聯(lián)代替，即放大倍數(shù)為5.1(1+20Rb+2),可以通過改變Rb阻值來進行調(diào)節(jié)。差分放大電路具有以下優(yōu)點：1）高輸入阻抗。被提取的信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號，為了減少信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。2）高共模抑制比。電路對共模信號幾乎沒有放大作用,共模電壓增益接近零。3）低噪聲、低漂移。主要作用是對信號源的影響小，拾取信號的能力強，以及能夠使輸出穩(wěn)定。4）電路的增益可以通過改變電阻R1阻值來調(diào)節(jié)。二級放大電路 該部分的主

18、要任務(wù)是對已經(jīng)放大了的信號進行進一步的處理，同時協(xié)調(diào)整體電路工作，使之滿足不同輸出任務(wù)的需要。后續(xù)放大電路原理如圖9所示圖9二級放大電路Vin為輸入信號即差分放大電路的輸出，Vout為輸出。Vin-VoR1=Vo-VoutR2 （式5）Vout=R1+R2Vo-R2VinR1 （式6）實驗總體電路： 實驗整體電路如附圖1所示。三、需用器件與單元：傳感器、實驗臺、實驗元件箱。四、實驗內(nèi)容及步驟實驗內(nèi)容及步驟（一）：電路安裝與調(diào)試該部分主要任務(wù)：完成實驗電路安裝、檢查、調(diào)試任務(wù)。確保實驗電路能正常工作。1 按附圖1要求認真選擇，統(tǒng)計各需要的原件。2 合理安排各原件在電路板上的位置。按同一功能部分原

19、件相對集中，不同功能電路相對分開的原則安排原件，便于查找和排除故障。3 接線時認真看清楚每一根導(dǎo)線與電子原件的連接點，保證每一根導(dǎo)線連接正確。4 通電前先檢查各部分電路是否連接完成，有無短路現(xiàn)象，特別是電解電容極性和運算放大器的電源極性。5 通電后先觀察各電子原件有無異常反應(yīng)，供電電源有無異常反應(yīng)。6 一切正常后進行電路調(diào)零。方法如下：短接A,B兩端，輸出端接數(shù)字表，調(diào)節(jié)RW2使數(shù)字表顯示為零。7 電路增益的調(diào)節(jié)方法按實驗不同分為兩種：（1） 在PT100熱電阻實驗中，先將增益調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)到最大，再反向調(diào)節(jié)一圈即可。（2） 在K型熱電偶實驗中，將增益調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)到最小即可。實驗內(nèi)容及步驟（

20、二）：控制儀表及溫度控制軟件的使用該部分主要任務(wù)：完成實驗臺與溫度控制箱的連線、實驗臺溫度控制部分的相關(guān)設(shè)置、溫度控制軟件的使用方法及相關(guān)設(shè)置。為實驗電路的實驗數(shù)據(jù)采集作準備。溫度控制設(shè)備：溫度控制設(shè)備是由溫度傳感器，智能控制儀表，冷卻風(fēng)扇，溫度試驗箱等部分組成，主要任務(wù)是為溫度檢測實驗提供穩(wěn)定的溫度源。實驗時，由溫度控制器軟件調(diào)整實驗箱的溫度。溫度控制設(shè)備接線圖如圖10所示。圖10：溫度控制設(shè)備接線圖溫度控制部分連線步驟1實際實驗中需將溫度源試驗箱的24V端與實驗臺的0-24V“轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)”端相連。 控制電壓調(diào)整到22V（可由控制臺電表監(jiān)測）。2 實驗臺“控制對象”選擇：RtVi擋。3 將pt

21、100連接至相應(yīng)的1，2，3端口。4 連接RS232串口線。5 連接“加熱控制”線。6 檢查1-5步驟完成無誤后，開啟“調(diào)節(jié)器電源”。溫度控制軟件是針對控制儀表而開發(fā)的軟件，它可以實現(xiàn)控制儀表內(nèi)部參數(shù)及運行參數(shù)的計算機調(diào)整從而大大簡化了操作過程，降低了儀器設(shè)備的損壞率?？刂苾x表是一種智能型控制儀表，可應(yīng)用于多種控制場合。其內(nèi)部參數(shù)如表3所示。表3：內(nèi)部參數(shù)表序號 符 號 名 稱 說 明取 值范 圍出廠值0 SP 給定值儀表量程范圍50.01AL-1第一報警測量值大于AL-1值時儀表將產(chǎn)生上限報警。測量值小于ALM1(固定0.5)值時，儀表將解除上限報警。同上;0.02 Pb傳 感器 誤差修正當(dāng)

22、測量傳感器引起誤差時，可以用此值修正0±20.0 0.03 P速率參數(shù) P值類似常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的比例帶,但變化相反,P值越大,比例、微分的作用成正比增強, P值越小,比例、微分的作用相應(yīng)減弱,P參數(shù)值與積分作用無關(guān)。 設(shè)置P=0儀表轉(zhuǎn)為二位式控制。19999 1004 I保持參 數(shù) I參數(shù)值主要決定調(diào)節(jié)算法中的積分作用,與常規(guī)PID算法中的積分時間類同,I值越小,系統(tǒng)積分作用越強,I值越大,積分作用越弱。設(shè)置I=0時，系統(tǒng)取消積分作用,儀表成為一個PD調(diào)節(jié)器。03000 5005 d滯后時 間 D參數(shù)對控制的比例、積分、微分均起影響作用,D越小,則比例和積分作用均成正比增強;反之,

23、D越大,則比例和積分作用均減弱,而微分作用相對增強。此外D還影響超調(diào)抑制功能的發(fā)揮,其設(shè)置對控制效果影響很大。02000S 100S6FILT濾波系 數(shù)為儀表一階滯后濾波系數(shù)，其值越大，抗瞬間干擾性能越強，但響應(yīng)速度越滯后，對壓力、流量控制其值應(yīng)較小，對溫度、液位控制應(yīng)相對較大。099 207 dp小數(shù)點位置當(dāng)儀表為電壓或電流輸入時，其顯示上限、顯示下限、小數(shù)點位置及單位均可由廠家或用戶自由設(shè)定，其中當(dāng)dp=0時小數(shù)點在個位不顯示，當(dāng)dp=13時，小數(shù)點依次在十位、百位、千位。 當(dāng)儀表為熱電偶或熱電阻輸入時, 當(dāng)dp=0時小數(shù)點在個位不顯示，當(dāng)dp=1時，小數(shù)點在十位。03 0或1或按需求定8

24、outH輸出上 限當(dāng)儀表控制為電壓或電流輸出（如控制閥位時），儀表具有最小輸出和最大輸出限制功能。 outL200按需求定9outL輸出下 限同上0outH按需求定10 AT自整定狀態(tài) 0: 關(guān)閉; 1:啟動01 011LocK密碼鎖為0時，允許修改所有參數(shù)，為1時，只允許修改給定值（SP），大于1時，禁止修改所有參數(shù)050012Sn輸入方 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 -

25、30.01700.0； WR25 -30.02300.0 ； N -30.01200.0 ； 050MV ； 1050MV； 05V(010mA) ； 15V(420mA) ； 頻率 f； 轉(zhuǎn)速 u分度號按需求定13OP-A主控輸出方 式0無輸出； 1繼電器輸出；2固態(tài)繼電器輸出； 3過零觸發(fā)； 4移相觸發(fā)；5010mA或05V； 6420mA或15V；7閥位控制0714OP-B副控輸出方 式0無輸出；1RS232或RS485通訊信號；0415ALP報警方 式0無報警； 1上限報警；2下限報警； 3上下限報警（注）4正偏差報警； 5負偏差報警；6正負偏差報警（注） 7區(qū)間外報警；8區(qū)間內(nèi)報警

26、9 上上限報警（注）10 下下限報警（注）01016COOL正反控制選 擇 0:反向控制,如加熱; 1:正向控制,如制冷 01 017 P-SH顯示上 限當(dāng)儀表為熱電偶或熱電阻輸入時, 顯示上限、顯示下限決定了儀表的給定值、報警值的設(shè)置范圍,但不影響顯示范圍。當(dāng)儀表為電壓、電流輸入時，其顯示上限、顯示下限決定了儀表的顯示范圍,其值和單位均可由廠家或用戶自由決定。P-SL9999按需求定18P-SL顯示下 限 同上-1999P-SH按需求定19Addr通訊地 址儀表在集中控制系統(tǒng)中的編號063120bAud通訊波特 率1200； 2400； 4800； 96009600溫度控制軟件使用方法：1

27、進入“溫度控制儀軟”件文件夾，雙擊“溫度控制儀軟”圖標，即可進入溫度控制界面。2 控制界面如圖11所示。圖11溫度控制界面 界面上部為菜單欄，由“通訊設(shè)置”，“曲線設(shè)置”、“歷史記錄”、“打印”、“退出”等選項組成。3 運行時，先點擊菜單欄“通訊設(shè)置”進行通訊設(shè)置。點擊“通訊設(shè)置”后，出現(xiàn)圖12界面。圖12通訊設(shè)置界面注：通訊設(shè)置界面的參數(shù)選擇一般為默認值點擊“確定”后，進入“控制界面”4 溫度“控制界面”如圖13所示。溫度控制設(shè)置項圖13溫度控制界面儀表參數(shù)的設(shè)置：進入儀表參數(shù)設(shè)置界面，按下面各項要求設(shè)置參數(shù)。1 Sn (輸入方式)：Pt12 oP-A (主控輸出方式)：2（固態(tài)繼電器）3

28、oP-b (副控輸出方式)：14 ALP (報警方式) ：1（上限報警）5 CooL (正反控制選擇) ：0（反向控制）6 P-SH (顯示上限) ：1007 P-SL (顯示下限) ：08 AL-1(上限報警)：1009 Pb (傳感器誤差修正)：010 P (速率參數(shù))：28011 I (保持參數(shù))：38012 d (滯后時間) ：7013 FILt (濾波系數(shù)) ：214 dp (小數(shù)點位置) ：115 outH (輸出上限) ：11016 outL (輸出下限) ：017 At (自整定狀態(tài)) ：0（關(guān)閉）18 LoCK (密碼鎖) ：0實驗溫度設(shè)定：實驗時進入“實驗觀察界面”，按實驗要求分別設(shè)定實驗溫度。注意：實驗時只調(diào)整溫度設(shè)置參數(shù)，不要調(diào)整其他參數(shù)，以免影響實驗數(shù)據(jù)。實驗內(nèi)容及步驟（三）：溫度測量電路實驗數(shù)據(jù)采集及處理該部分主要任務(wù)：對已安裝調(diào)試好的溫度測量電路進行溫度測量實驗、記錄實驗數(shù)據(jù)、畫出實驗曲線、分析實驗結(jié)果、完成實驗報告。熱電阻，熱電偶與測量電路輸入端實驗連接方法如圖14所示。圖14：熱電