熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)

1、溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主講：沈德智主講：沈德智組員：譚前松組員：譚前松 王碩王碩 劉忠劉忠正正 高錚高錚 王行王行 劉宇佳劉宇佳 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度一直都是一個(gè)很重要的物理參數(shù)，溫度的檢測(cè)和控制直接和安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系，因此在各個(gè)領(lǐng)域中都受到了人們的普遍重視。溫度檢測(cè)類儀表作為溫度測(cè)量工具，也因此得到廣泛應(yīng)用。溫度測(cè)量的意義溫度測(cè)量的意義測(cè)溫測(cè)溫系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案紅外測(cè)溫紅外測(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫通過(guò)比較和分析幾種常見(jiàn)的測(cè)溫系統(tǒng)方案，通過(guò)比較和分析幾種常見(jiàn)的測(cè)溫系統(tǒng)方案，并選擇一種作為本系統(tǒng)的執(zhí)行方案并選擇一種

2、作為本系統(tǒng)的執(zhí)行方案典型溫度測(cè)量系統(tǒng)方案典型溫度測(cè)量系統(tǒng)方案紅外測(cè)溫紅外測(cè)溫紅外測(cè)溫儀實(shí)際上是一種非接觸式輻射能量探測(cè)器，世界上所有的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外線輻射。而輻射的能量則與該物體的溫度成輻射的能量則與該物體的溫度成比例比例，非接觸式溫度測(cè)量即是測(cè)量物體輻射能量的強(qiáng)弱，并由此得到一個(gè)與該物體溫度成比例的信號(hào)。 傳感器的選型及工作原理傳感器的選型及工作原理紅外紅外測(cè)溫測(cè)溫缺點(diǎn)缺點(diǎn)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)影響較大環(huán)境對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)影響較大 價(jià)格高，不能測(cè)量?jī)?nèi)部溫度價(jià)格高，不能測(cè)量?jī)?nèi)部溫度優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)非接觸測(cè)量非接觸測(cè)量不破壞被測(cè)溫度場(chǎng)的均衡不破壞被測(cè)溫度場(chǎng)的均衡熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫 工作原理 ：兩種不同成份

3、的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。傳感器的選型及工作原理傳感器的選型及工作原理熱電偶熱電偶測(cè)溫測(cè)溫缺點(diǎn)缺點(diǎn)長(zhǎng)期使用中，容易受到腐蝕長(zhǎng)期使用中，容易受到腐蝕 需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)測(cè)量精度高，測(cè)溫范圍廣測(cè)量精度高，測(cè)溫范圍廣構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便熱電阻

4、測(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫 熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。 因此，只要測(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測(cè)量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。傳感器的選型及工作原理傳感器的選型及工作原理熱電阻熱電阻測(cè)溫測(cè)溫缺點(diǎn)缺點(diǎn)需要電源來(lái)激勵(lì)需要電源來(lái)激勵(lì)不能夠瞬時(shí)測(cè)量溫度的變化不能夠瞬時(shí)測(cè)量溫度的變化 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)測(cè)量精度高測(cè)量精度高,性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定最常用在中低溫測(cè)量最常用在中低溫測(cè)量 鉑熱電阻溫度傳感器零攝氏度標(biāo)稱中阻值為100 , 電阻變化系數(shù)為0.003851。鉑電阻溫度傳感器, 精度高, 穩(wěn)定性好, 應(yīng)用溫度范圍廣, 是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳

5、感器, 不僅廣泛用于工業(yè)測(cè)溫, 而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。 本設(shè)計(jì)以鉑熱電阻鉑熱電阻Pt100 作為溫度傳感器，將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻變化，通過(guò)放大采集電路將電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，再由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。PT100的參數(shù) PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù) 其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在0650范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2)在-2000范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)式中A、B、C 為常數(shù)，A=3.9684710-3；B=-5.84710-7；C=-4.2210-12；

6、在測(cè)量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下： R=Ro(1+T) 其中=0.00392, Ro為100(在0的電阻值),T為華氏溫度三三線制線制，恒流源恒流源v 常用的PT電阻接法有兩種，分別為三線制和兩線制，本設(shè)計(jì)采用三線制。v 常用的采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路；一為恒流源式測(cè)溫電路。本設(shè)計(jì)采用恒流源測(cè)溫電路恒流源式測(cè)溫電路恒流源式測(cè)溫電路恒流源式測(cè)溫電路恒流源式測(cè)溫電路測(cè)溫原理：通過(guò)運(yùn)放U1A將基準(zhǔn)電壓2.32V轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過(guò)Pt100時(shí)在其上產(chǎn)生壓降，再通過(guò)運(yùn)放U1B將該微弱壓降信號(hào)放大（圖中放大倍數(shù)為10），即輸出期望的電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大后可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。 根

7、據(jù)虛地概念“工作于線性范圍內(nèi)的理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端同電位”，運(yùn)放U1A的“+”端和“-”端電位V+V-2.32V；假設(shè)運(yùn)放U1A的輸出腳1對(duì)地電壓為Vo， 根據(jù)虛斷概念，（0-V-）/R1+（Vo-V-）/RPt1000因此電阻Pt100上的壓降VPt100Vo-V-V-*RPt100/R1，因V-和R1均不變，因此圖3虛線框內(nèi)的電路等效為一個(gè)恒流源流過(guò)一個(gè)Pt100電阻，電流大小為V- /R1，Pt100上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關(guān)。 信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)放大電路放大電路濾波電路濾波電路信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理電路電路 A/ D轉(zhuǎn)換電路圖轉(zhuǎn)換電路圖AD 系統(tǒng)將檢測(cè)到模擬信號(hào)送入A/

8、D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，再送入單片機(jī)中。 本設(shè)計(jì)采用了TLC1549 芯片 分辨率為10 位,為逐次逼近型的高速A/ D 芯片,內(nèi)置采保功能和系統(tǒng)時(shí)鐘,該芯片有3 個(gè)通道,其中兩個(gè)數(shù)字量輸入通道（片選CS 和內(nèi)部時(shí)鐘輸出或外部時(shí)鐘輸入I/ O CLK） 和一個(gè)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出通道（DOUT）,從而可以方便地實(shí)現(xiàn)A/ D 芯片與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)接口溫度測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)溫度測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖框圖熱電阻熱電阻信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理電路電路PT100溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件電路溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件電路AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換單片機(jī)單片機(jī)LCD顯示顯示鍵盤鍵盤串口通信串口通信v 測(cè)溫的模擬電路是把當(dāng)前PT100熱電阻傳感器的電阻

9、值，轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓值，經(jīng)過(guò)放大器放大信號(hào)后送給A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后傳給單片機(jī)AT89S51，單片機(jī)再根據(jù)公式換算把測(cè)量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并將數(shù)據(jù)送出到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖信號(hào)放大調(diào)理電路PT100溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路時(shí)鐘電路按鍵控制電路AT89S52單片機(jī)LED數(shù)碼管顯示電路PT100阻值計(jì)算阻值計(jì)算 由于1549芯片有10位分辨率，基準(zhǔn)電壓V基為2.32v，則模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓后的分度值為V基/1024,電壓信號(hào)V0與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓V1關(guān)系為： V0= V1*V基/1024 恒流源電流可以根據(jù)歐姆定律得： I=VR

10、/R1=1.16mA VR 穩(wěn)壓管電壓，為2.32v，R1=2000 鉑電阻的阻值： R0= V0/I 由R0值對(duì)照鉑電阻阻值和溫度變化表即可得到當(dāng)前的溫度值。Pt100熱電阻分度表熱電阻分度表兩種方法兩種方法v根據(jù)誤差理論，我們要獲得較高精度的溫度測(cè)量值，辦法一般有2個(gè)： 要么采用查表法， 要么建立高精度的數(shù)學(xué)模型。v 如果用查表法，如果要提高測(cè)量精度，則需要建立大量的表格，而且得提前做大量得試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行多點(diǎn)校正 而采用已知的分度表，建立數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)工程量（標(biāo)度）變換，通過(guò)測(cè)量A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果后計(jì)算得到。減小誤差的方法減小誤差的方法-最小二乘理論建模最小二乘理論建模v這里我們考慮第2種方

11、法的優(yōu)點(diǎn)v首先采用分段的方法，將測(cè)量范圍分段，然后查出該段的數(shù)學(xué)模型的各個(gè)系數(shù)v然后計(jì)算出溫度值，我們對(duì)整個(gè)測(cè)量范圍分了3段， 分別為049、5070、71100 利用分度表進(jìn)行離線的數(shù)學(xué)擬合，得到各段的數(shù)學(xué)模型系數(shù)。同時(shí)，可通過(guò)再將標(biāo)度值代入可粗略估計(jì)在各個(gè)測(cè)量段內(nèi)的最大誤差值。v 通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到如下的數(shù)學(xué)模型為：vT1=2.5772R-257.7708 0-49vT2=2.6366R-267.01 5070vT3=2.7206R-281.90 71100v上述3個(gè)數(shù)學(xué)模型中，最大的理論誤差值都小于0.1，能夠滿足精度要求，實(shí)際上如果有足夠的時(shí)間，我們完全可以分得再細(xì)一些，

12、這樣理論的誤差將會(huì)變得更小。Pt100的誤差 Pt100的誤差：溫度傳感器在測(cè)量過(guò)程中的主要誤差來(lái)源: 傳感器對(duì)分度表的誤差； 絕緣不良引起的誤差； 線路電阻引起的誤差； 測(cè)量?jī)x表的誤差以及傳熱誤差、動(dòng)態(tài)相應(yīng)誤差、干擾誤差等。誤差數(shù)據(jù)表誤差數(shù)據(jù)表溫度電阻曲線溫度電阻曲線謝謝大家信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路放大電路放大電路信號(hào)的放大單元由低溫漂、低偏置電流、高共模抑制比、低噪的精密儀用放大器AD620為核心，加上激勵(lì)電源電路、零位調(diào)整電阻、增益調(diào)整電阻、輸出限幅保護(hù)電路等組成。 信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路濾波電路濾波電路濾波電路是信號(hào)調(diào)理電路的第二級(jí)主要作用是：對(duì)放大之后的信號(hào)進(jìn)行濾波。在本系統(tǒng)中采用二階有源低通濾波來(lái)濾除信號(hào)中的高頻干擾。 放大電路放大電路12345678U12AD620AN (8)R60522kR60722kC61110uF/25VC60710uF/25VW602500R6091KC6091uFVCC+12VVCC-12VSENSOR+SENSOR-VO濾波電路濾波電路2O222i( )1