《電子技術(shù)綜合與應(yīng)用》第6章 溫度測量控制儀項目

第6章溫度測量控制儀項目6.1問題的提出6.2問題的分析6.3資料查閱及電路的選擇和確定6.4繪制本項目電路原理圖6.5設(shè)計本項目印制電路板圖6.6安裝調(diào)試本項目電路6.7項目總結(jié)

6.1問?題?的?提?出

某一太陽能熱水器生產(chǎn)廠家欲推出一款新型太陽能熱水器，要求該熱水器除了能進行太陽能加熱以外還能滿足用戶在陰天的情況下用電加熱的方法對水加熱，用戶除了能在室內(nèi)觀察水的溫度，還可根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)加熱的溫度。為實現(xiàn)這款新型太陽能熱水器的功能，該廠家需要一個溫度測量控制儀。該溫度測量控制儀的要求如下：

(1)溫度測量范圍為0～100℃，測量精度為1.5%。

(2)給定溫度控制范圍為0～100℃，控溫動作溫差2℃。

(3)加熱器功率為1000W。

6.2問?題?的?分?析

溫度是一個非電量，如前“水位控制器項目”中所述，對非電量信號必須有相應(yīng)的傳感器把非電量信號轉(zhuǎn)換成電量信號后才能用電子電路對其進行處理(顯示、控制等)。如果將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻或電壓的變化，通過一定的測量轉(zhuǎn)換電路，就可以用這些電量的變化來表示所測量的溫度的變化。常用的溫度傳感器有兩大類：一類是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻值變化的熱敏電阻，另一類是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電壓變化的熱電偶類。溫度測量電路的功能框圖如圖6-1所示。圖6-1溫度檢測控制原理框圖6.2.1溫度傳感器

溫度傳感器主要有電阻式溫度傳感器、電容式溫度傳感器、半導(dǎo)體式溫度傳感器、熱電偶式溫度傳感器、集成溫度傳感器、紅外輻射溫度傳感器、壓力式溫度傳感器、雙金屬溫度傳感器等。它們的工作原理、性能、特點及用途各不相同。只有對溫度傳感器有所了解才能合理地選用傳感器。

1．熱電阻式溫度傳感器

利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器叫做熱電阻式溫度傳感器，它主要用于對溫度和與溫度有關(guān)的參量進行檢測。按熱電阻的性質(zhì)，可將熱電阻分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，通常將前者稱為熱電阻，將后者稱為熱敏電阻器。

熱電阻由熱電阻絲、絕緣骨架、引出導(dǎo)線等組成，其中熱電阻絲是熱電阻的主體。目前使用的熱電阻絲制造材料有鉑(Pt)、銅(Cu)、鎳(Ni)和鎢(W)等。圖6-2所示為這幾種金屬材料電阻變化率隨溫度變化的曲線。圖6-2金屬材料電阻變化率隨溫度變化的曲線導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度的變化而變化的現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)，熱電阻就是利用熱電阻效應(yīng)制成的。熱電阻按電阻-溫度特性的不同，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻。金屬熱電阻的電阻-溫度特性通常表現(xiàn)為當(dāng)溫度升高時其電阻增大(正溫度系數(shù))，而半導(dǎo)體熱電阻通常是隨溫度的升高其電阻減小(負(fù)溫度系數(shù))。

熱電阻具有測量精度高、測量范圍大的特點，易于在自動測量和遠(yuǎn)距離測量中使用。與熱電偶相比，熱電阻沒有參比端誤差問題。熱電阻絲作為熱電阻的主體部分，對其材料的要求如下：

(1)溫度系數(shù)大而且穩(wěn)定，以便提高熱電阻的靈敏度。

(2)電阻率大，以減小電阻體的體積。

(3)具有穩(wěn)定的化學(xué)和物理性能。

(4)熱容量盡量小，以提高熱電阻的響應(yīng)速度。

(5)輸出特性好，即電阻隨溫度的變化接近于線性。金屬熱電阻廣泛使用的電阻絲材料有鉑(Pt)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鐵(Fe)等。這些材料的電阻率與溫度的關(guān)系，可近似用下面的二次方程來描述，即

ρ?=?at2?+?bt?+?c

式中，ρ為電阻率，t為溫度，a、b、c為由實驗確定的常量。

1)常用的熱電阻

熱電阻一般常用于低溫為?-200～0℃，中溫為0～350℃，高溫為350～500℃的溫度測量。隨著技術(shù)的發(fā)展，其測量范圍也在不斷擴展，高溫測量出現(xiàn)了多種用于1000～1300℃溫度測量的傳感器。用熱電阻測量溫度時，要在外部施加電源，使流經(jīng)熱電阻的電流為額定值，測量該電流在熱電阻兩端產(chǎn)生的電壓降，從而達(dá)到測量溫度的目的。熱電阻的測量精度高，尤其是測量常溫下的溫度比熱電偶溫度儀更適宜。

工業(yè)上常用的作為溫度傳感器的熱電阻有鉑電阻和銅電阻。

(1)鉑電阻。鉑是一種貴重金屬，它具有性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、精度高等優(yōu)點，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

鉑電阻體是用很細(xì)的鉑絲(φ0.03～φ0.07?mm)繞在用云母片制成的平板形支架上，鉑絲繞組的出線端與銀絲引出線相焊接，并穿上瓷套管加以絕緣和保護。

鉑電阻在高溫下時，其物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。鉑電阻的使用溫度范圍在-200～+650℃之間，鉑電阻的電阻值與溫度的關(guān)系可表示為在0～650℃范圍內(nèi)時

Rt?=?R0(1?+?At?+?Bt2)

式中，Rt為溫度為t時的電阻值，R0為溫度是0℃時的電阻值，A、B、C為常數(shù)。對于常用的工業(yè)鉑電阻，A?=?3.908?02×10－3/℃，B?=?-5.802×10-7/℃。

我國工業(yè)常用的鉑電阻為Pt10和Pt100兩種。

(2)銅電阻。鉑是貴重金屬，在一些測量精度不高且溫度較低的地方一般采用銅電阻。銅電阻體是一個銅絲繞組(包括錳銅補償部分)，它是由直徑約為0.1?mm的銅絲雙繞在圓柱形塑料支架上。用銅電阻可測量-50～+150℃的溫度，銅電阻的電阻值與溫度(基本上)呈線性關(guān)系，可用下式表示：

Rt?=?R0(1?+?at)

式中，R0、Rt分別表示0℃和t℃時的電阻值；a為溫度系數(shù)，其值為4.28×10－3/℃。銅電阻有下列特點：

(1)?-50～+150℃溫度范圍內(nèi)，銅的電阻與溫度呈線性關(guān)系。

(2)與鉑電阻相比，銅電阻溫度系數(shù)高，電阻率低。

(3)工藝性好，容易提純，價格便宜。

(4)容易氧化，不適宜在腐蝕介質(zhì)下工作(一般工業(yè)用銅電阻外部有保護管)。

2)熱敏電阻

熱敏電阻是一種由半導(dǎo)體材料制成的敏感元件。其工作原理是利用半導(dǎo)材料電阻隨溫度變化而顯著變化的物理特性將溫度變量轉(zhuǎn)換成電量。熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、制作簡單、壽命長、工作穩(wěn)定、便于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和控制等特點。

熱敏電阻器是非線性電阻器，其阻值隨溫度變化呈指數(shù)關(guān)系。熱敏電阻器按其基本性能分為三類：負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器、正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器和臨界溫度(CTR)熱敏電阻器。其中負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器使用的最多，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器的阻值與溫度的關(guān)系可表示為

式中，Rt、R0分別為溫度T(K)和T0(K)的阻值；B為熱敏電阻的材料常數(shù)，一般情況下，B的取值為2000～6000K，在高溫下使用，B值將增大。熱敏電阻器的溫度特性曲線如圖6-3所示。其中曲線2、5表示負(fù)的電阻溫度系數(shù)；曲線3、4表示正的電阻溫度系數(shù)；l表示電阻溫度特性。NTC熱敏電阻器常用于測量溫度和溫度補償；PTC熱敏電阻器和CTR熱敏電阻器在一定溫度范圍內(nèi)，阻值隨溫度急劇變化，可用于檢測特定溫度和溫度控制。NTC熱敏電阻器的溫度系數(shù)一般為(-2%～-6%)/℃，PTC熱敏電阻器的溫度系數(shù)一般為(1%～10%)/℃，而CTR熱敏電阻器的溫度系數(shù)則大于10%/℃。

熱敏電阻器的伏安特性如圖6-4所示。曲線1為線性電阻的伏安特性；曲線2、3、4為不同熱敏電阻器的伏安特性，它們的變化規(guī)律符合某種指數(shù)關(guān)系。圖6-3熱敏電阻溫度特性圖6-4熱敏電阻伏安特性熱敏電阻器的主要技術(shù)參數(shù)主要有：

(1)標(biāo)稱阻值。標(biāo)稱阻值一般指25℃時熱敏電阻器的電阻值(又稱冷阻阻值)。在測量熱敏電阻器的標(biāo)稱阻值時，必須在標(biāo)稱溫度下進行，并應(yīng)注意測量儀表的測量電流不要太大(如用萬用表低歐姆擋)，不致引起電阻體的溫升，以免影響測量的準(zhǔn)確度。用萬用表測量時，測量時間應(yīng)盡量短，這樣做可以提高測量準(zhǔn)確度(手的溫度也將影響測量的準(zhǔn)確性)。

(2)電阻溫度系數(shù)。電阻溫度系數(shù)是指溫度每變化1℃時熱敏電阻器阻值的變化率，單位是%/℃。

(3)額定功率。額定功率是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和最高環(huán)境溫度下，熱敏電阻器長期連續(xù)工作所允許消耗的功率。在實際使用時，熱敏電阻器所消耗的功率不得超過額定功率。

3)時間常數(shù)

時間常數(shù)是表述熱敏電阻器熱慣性的參數(shù)。時間常數(shù)越小，表明熱敏電阻器的熱惰性越小，即溫度變化后電阻達(dá)到穩(wěn)定值的時間越短。

表6-1、表6-2和表6-3給出了常用熱敏電阻器的型號和參數(shù)。

半導(dǎo)體熱敏電阻的主要缺點是線性度不好、一致性差。表6-1常用熱敏電阻器的型號和參數(shù)(一)

表6-2常用熱敏電阻器的型號和參數(shù)(二)

表6-3常用熱敏電阻器的型號和參數(shù)(三)

2．熱電偶式溫度傳感器

利用熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器稱為熱電偶式溫度傳感器。熱電偶式溫度傳感器是工業(yè)中另一類常用的溫度傳感器。

1)熱電效應(yīng)和熱電偶

兩種不同的金屬材料A和B(稱為熱電極)組成閉合回路，如圖6-5所示。若兩端節(jié)點溫度不同(分別為T0和T)，則回路中就會有熱電動勢，因而產(chǎn)生熱電流，這一現(xiàn)象就是所謂的熱電效應(yīng)。

測量溫度時，節(jié)點2置于被測的物體中，該端稱為測量端(工作端、熱端)。節(jié)點1一般處于某一恒定的溫度環(huán)境中，稱為參考端(自由端、冷端)。由這兩種導(dǎo)體的組合構(gòu)成熱電偶。圖6-5熱電偶示意圖

2)熱電偶的熱電動勢

熱電偶的熱電動勢由接觸電動勢和溫差電動勢兩部分組成。

接觸電動勢產(chǎn)生的原因是，由于兩種不同的金屬材料A、B的接觸，A、B中的自由電子向?qū)Ψ綌U散，而產(chǎn)生電動勢。當(dāng)A、B中的自由電子相等時，達(dá)到動態(tài)平衡。熱電偶的接觸電動勢的表達(dá)式為

式中，K為玻爾茲曼常數(shù)(K=1.38×10－16)，T為絕對溫度，nA、nB為材料A、B的自由電子密度。

接觸電動勢與金屬的形狀、尺寸無關(guān)。溫差電動勢產(chǎn)生的原因是，任何一種金屬材料的兩端溫度不同時，自由電子的濃度不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小，由此高溫端的自由電子要向低溫端擴散，最后達(dá)到動態(tài)平衡。高溫端失去電子帶正電，而低溫端得到電子帶負(fù)電，從而在高、低溫端形成溫差電動勢。該電動勢的大小與兩端的溫差大小有關(guān)。熱電偶的溫差電動勢的表達(dá)式為

EAB(T,T0)?=?UT?-UT0所以，熱電偶的總電動勢為

在標(biāo)定熱電偶時，T0為常數(shù)，這樣，熱電偶的總電動勢就只與溫度T有關(guān)了。對于不同的熱電偶，其電動勢與溫度有著不同的函數(shù)關(guān)系，一般用實驗的方法可以得到，實驗時一般T0?=?0℃。對于標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶，熱電動勢與溫度的關(guān)系有標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)表(熱電偶分度表)可以查閱。

工業(yè)中常用的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有：T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型、S型。其特性與用途見表6-4。表6-4常用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的特性與用途

3．集成溫度傳感器

集成溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度之間的特性關(guān)系制成的。這種溫度傳感器把溫度測量電路、溫度補償電路、驅(qū)動電路及信號處理電路集成封裝在一起，具有信號大、線性度好、體積小、使用方便等優(yōu)點，但不適于溫度較高的場合。

不同的集成溫度傳感器具有不同的特性，其應(yīng)用電路也不相同，使用時需要查閱生產(chǎn)廠家的有關(guān)手冊。常用的集成溫度傳感器有AD594、LM35等，其有關(guān)參數(shù)這里不作說明。

4．溫度傳感器選用

在工程實際中對溫度傳感器的選用需要考慮多方面的因素。例如，選擇溫度傳感器時需要考慮所需測量溫度的范圍，測量的精度，溫度傳感器的價格，以及是否便于調(diào)試、便于維修、便于批量生產(chǎn)等。

在本項目中，用于測量控制溫度的范圍在0～100℃，測量精度為1.5%(即允許誤差為±1.5℃)，并且該溫度測量控制器用于民用產(chǎn)品，要求材料的成本低，并且批量生產(chǎn)，綜合考慮各種因素可以選擇銅熱電阻Cu100。6.2.2溫度測量電路

1．電橋電路

不同的傳感器需要用不同的測量電路。本項目中采用銅熱電阻溫度傳感器，可以采用如圖6-6所示的溫度測量電路。

圖6-6所示是一電橋電路，供電的電源為5?V，信號從A、B點輸出。為保證測量的精度，要求電橋的電源很穩(wěn)定，需要高精度的穩(wěn)定電壓源。圖6-6銅熱電阻溫度測量電橋當(dāng)溫度升高時，銅熱電阻的阻值增加，A點電位升高而B點電位不變，因此電橋的輸出電壓UAB增加；反之，溫度降低時，銅熱電阻的阻值減小，UAB也減小，從而把溫度變化轉(zhuǎn)化成電壓信號的變化。

電阻R1取值5?kW?左右，保證流過銅熱電阻的電流在1?mA左右。流過銅熱電阻的電流不宜過大，否則過大的電流會導(dǎo)致銅熱電阻自身發(fā)熱而影響溫度的測量。R1過大則流過銅熱電阻的電流太小。當(dāng)溫度變化時，電橋輸出的電壓信號太小，也會影響溫度測量。RP1采用多圈精密電位器。

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)銅熱電阻Cu100的分度表見表6-5。表6-5Cu100銅熱電阻分度表

調(diào)整時用標(biāo)準(zhǔn)精密電阻箱代替銅熱電阻。

2．放大電路

電橋電路隨溫度變化而變化的輸出電壓信號很小，實際應(yīng)用時必須對該輸出信號加以放大。由于溫度的變化是一比較緩慢的信號，所以放大電路是一直流放大電路，可以采用集成運放構(gòu)成直流放大電路。因為電橋電路的輸出信號比較小，運放應(yīng)采用低漂移集成運放，如采用OP-07型低漂移運算放大器。具體的放大電路見圖6-7。圖6-7溫度測量放大電路放大電路的放大倍數(shù)為放大電路的放大倍數(shù)需要與其后的顯示器相匹配。若采用數(shù)字顯示，則需要與用于數(shù)字顯示的A/D轉(zhuǎn)換器匹配。若用指針式表頭指示溫度，則需要與顯示表頭匹配，如所用的是電流表頭還是電壓表頭。如果是電流表頭，則運放輸出的電流應(yīng)能滿足表頭滿量程偏轉(zhuǎn)驅(qū)動的需要；如果是電壓表頭，則運放的輸出電壓應(yīng)能驅(qū)動表頭滿量程偏轉(zhuǎn)。

本項目采用數(shù)字顯示，顯示電路見圖6-8。圖6-8ICL7107構(gòu)成的數(shù)字顯示電路該顯示電路的基準(zhǔn)電壓為0.5?V，當(dāng)Vin=VREF時，數(shù)字顯示為1000，即Vin每變化0.5?mV，數(shù)字顯示變化1個數(shù)字。其輸入阻抗極高，遠(yuǎn)大于1?MΩ。有關(guān)數(shù)字顯示的詳細(xì)內(nèi)容見“多量程直流數(shù)字電壓表項目”。

為了與該顯示電路匹配，放大電路的放大倍數(shù)在電路的實際調(diào)試過程中確定(應(yīng)略大于顯示電路輸入信號的需要，然后調(diào)整分壓電路，使溫度的變化與顯示值一致)。

如此，電橋電路、放大電路、顯示電路共同構(gòu)成了一個溫度測量電路。6.2.3溫度控制電路

簡單的溫度控制電路可以采用由運放構(gòu)成的遲滯比較電路，電路見圖6-9。圖6-9溫度控制電路電路中，R8、V2構(gòu)成一個并聯(lián)穩(wěn)壓電路，用于作為控制溫度給定電路的電源，TL431是一精密集成穩(wěn)壓電路，在圖示電路的情況下，穩(wěn)壓值為2.5?V。改變RP的值可以調(diào)整給定的溫度(電壓值)。R9、R10、R11、R12、R13、LM741、C1構(gòu)成一個遲滯比較電路；R14、V3、VD1、K1構(gòu)成繼電器輸出電路。當(dāng)Vc低于給定電壓(對應(yīng)于給定溫度)時，運放輸出高電平，三極管V3導(dǎo)通，繼電器K1得電吸合，使電加熱器加熱；當(dāng)Vc高于給定電壓(對應(yīng)于給定溫度)時，運放輸出低電平，三極管V3截止，繼電器K1因失電而釋放，使電加熱器停止加熱，如此達(dá)到控制溫度的目的。改變R13、R11的值可以改變比較器的遲滯回差，也就是改變控溫動作溫差。電容C1用于提高抗干擾能力，防止運放誤動作。二極管VD1用于保護三極管V3不被繼電器釋放時的感應(yīng)電動勢擊穿。選用繼電器時要注意繼電器的觸頭負(fù)載能力。

6.3資料查閱及電路的選擇和確定

本項目已經(jīng)提供了一個比較完整的溫度測量控制電路，可以按照前述內(nèi)容進行項目操作。

在6.2節(jié)中介紹了很多溫度傳感器，請查閱相關(guān)資料選擇其中的一種傳感器，對其工作原理、特點、用途、應(yīng)用等做一分析，提出自己的見解。

6.4繪制本項目電路原理圖

根據(jù)前面的分析，用Protel軟件繪制電路的原理圖，并列出電路元器件的采購清單，元件采購清單應(yīng)包括元件的設(shè)計序號，元件的型號、參數(shù)，元件采購的數(shù)量等。注意，本項目的電路中并沒有考慮電源部分，如電源電壓、電源提供的功率要求等，在繪制電路原理圖時需要加以考慮，參見“直流穩(wěn)壓電源項目”。對于溫度給定電路(給定溫度值)，可以通過撥動開關(guān)切換數(shù)字顯示部分輸入信號的方式，通過數(shù)字顯示部分顯示出來。即當(dāng)開關(guān)打到某一擋位時，顯示測量到的實際溫度；當(dāng)開關(guān)切換到另一位置時，顯示給定的溫度值。同時也請考慮用發(fā)光二極管顯示加熱狀態(tài)的電路。

6.5設(shè)計本項目印制電路板圖

根據(jù)本項目原理圖，設(shè)計印制電路板圖，提出對電路板的加工要求。在設(shè)計印制電路板時要注意繼電器輸出的銅箔導(dǎo)線必須加粗，以便導(dǎo)線能通過足夠大的電流。如果采用接插件連接方式，則也要考慮接插件通過電流的能力。

6.6安裝調(diào)試本項目電路

6.6.1安裝本項目電路

根據(jù)原理圖及元件排列圖(元件排列圖可以通過彩色打印機把PCB圖包含頂層、底層、綜合層及絲網(wǎng)層一起打印出來而得到)安裝電路。注意了解前面項目中所述的有關(guān)元器件安裝、焊接等相關(guān)內(nèi)容，并參照安裝電路。經(jīng)檢查安裝無誤以后，接通電源，進入電路的調(diào)試階段。6.6.2調(diào)試本項目電路

電路的調(diào)試分如下三部分進行。

1．直流穩(wěn)壓電源部分的調(diào)試與檢測

一般只要測量整流濾波后的電壓及穩(wěn)壓器后的電壓是否正常即可。不正常，則需排除故障；如果電路正確、安裝無誤，則不需要調(diào)試。

2．溫度測量電路調(diào)試

(1)用精密電阻箱代替銅熱電阻，接至電路中，撥動開關(guān)切換到測溫顯示位置。

(2)電阻箱調(diào)整到100.00?Ω，調(diào)整RP1，使顯示的數(shù)字為00.0。

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