常用温度传感器测量电路设计实验指导书

常用温度传感器测量电路设计

实

验

指

导

书

自动化工程学院

常用温度传感器测量电路设计实验指导书

一、实验目的：

本实验要求设计并制作一个常用温度传感器测量电路，要求测量温度在

常温～100℃之间，输出为电压信号。该电路即可用于热电阻温度测量也可用于热电偶温度测量。

二、基本原理:

温度测量过程原理：

图1：温度测量过程原理

温度测量过程原理如图1所示:

信号采集：由热电偶或热电阻传感器负责将被测体的相关物理量转化为电信号。信号处理部分：负责对信号进行放大，整形，降噪,标准化等处理。

输出显示部分：负责对处理后的各种信号进行可视化处理，便于人们直观的读出相关的物理量。该部分可以是计算机或数码管或显示仪表等。

该实验只涉及信号采集，信号处理部分的相关电路设计，安装，调试等内容。

设计思路:

温度检测电路总体设计思路：如图2所示，被测物体温度经过温度传感器元件以及相关转换电路转化为电压信号，经后续放大电路放大调节后输出，再用数字显示表头显示检测到的温度信号。

图2温度检测电路组成

传感器部分：

热电偶传感器：是将A和B二种不同金属材料的一端焊接而成如图3。A和B称为热电极，焊接的一端是接触热场的T端称为工作端或测量端，也称热端；未焊

称为自由端或参考端，也称冷端(接引线用来连接测量仪表接的一端处在温度T

的两根导线C是同样的材料，可以与A和B不同种材料)。 T与T

的温差愈大，

热电偶的输出电动势愈大；温差为0时，热电偶的输出电动势为0；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。国际上，将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号，如常用的Ｋ(镍铬-镍硅或镍铝)、Ｅ(镍铬-康铜)、Ｔ(铜-康铜)等等，并且有相应的分度表即参考端温度为0℃时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。实验中用分度号为K的热电偶。

表1：K热电偶温度与输出电压的关系

0000

式中：E(t, t

0)---热电偶测量端温度为ｔ，参考端温度为t

=0℃时的热电势值；

E(t, t

0＇)---热电偶测量温度ｔ，参考端温度为t

＇不等于0℃时的热电势值；

E(t

0＇, t

)---热电偶测量端温度为t

＇，参考端温度为t

=0℃时的热电势值。

例：用一支分度号为Ｋ(镍铬-镍硅)热电偶测量温度源的温度，工作时的参考端

温度(室温) t

＇=20℃，而测得热电偶输出的热电势(经过放大器放大的信号，

假设放大器的增益A=10)32.7mv，则E(t, t

＇)=32.7mV/10=3.27mV，那么热电偶测得温度源的温度是多少呢?

解：由表1 查得：

E(t

0＇, t

)=E(20,0)=0.798mV

已测得 E(t, t

＇)=32.7mV/10=3.27mV

故 E(t, t

0)=E(t, t

＇)+E(t

＇, t

)= 3.27mV+0.798mV=4.068mV

热电偶测量温度源的温度可以从分度表中查出，与 4.068mV所对应的温度是100℃。

铂电阻：是将0.05～0.07ｍｍ的铂丝绕在线圈骨架上封装在玻璃或陶瓷内构成，图4是铂热电阻的结构图。

在0～500℃以内，它的电阻Rt与温度t的关系为：Rt=Ro(1+At+Bt2)，式中： Ro 系温度为0℃时的电阻值(本实验的铂电阻Ro＝100Ω)。A＝3.9684×10－3／℃，B＝－5.847×10－7／℃2。铂电阻一般是三线制，其中一端接一根引线另一端接二根引线，主要为远距离测量消除引线电阻对桥臂的影响(近距离可用二线制，导线电阻忽略不计)。

图4铂热电阻结构

实际测量时将铂电阻随温度变化的阻值通过电桥转换成电压的变化量输出，再

经放大器放大后直接用电压表显示，如图5所示。

图5热电阻信号转换原理图

图中△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热电阻一般应用在冶金、化工行业及需要温度测量控制的设备上，适用

于测量、控制＜600℃的温度。

本实验由于受到温度源及安全上的限制，所做的实验温度值＜100℃。

表2：Pt100 铂电阻分度表(t—Rt对应值)

分度号：Pt100R o=100Ωα=0.003910

表2是该传感器在不同温度下的电阻值。测量电桥在4V供电情况下温度为100℃时，电桥两端可获得约30mV电压。

信号处理部分：

由于直接从传感器获得的信号一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用后续电路，将小信号转换成更大的电压信号或电流信号，以便于测量与处理。

差分放大电路

我们采用差分放大电路对电压进行放大，我们先讨论简单的差动放大器，如图6所示,Vi1、 Vi2为输入，Vo为输出。

Vi1

Vi2

图6 基本差动放大器

输出电压

Vo=-V

i1+(1+)V

i2

本实验中运算放大器采用OP07芯片,OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07管脚图如图7所示。

图7 op07管脚图

OP07芯片引脚功能说明：

1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接负电源或接地，5空脚 6为输出，7接正电源。

实验中采用的差分放大电路如图8所示.

Vi1

Vo

图8 差分放大电路

该电路由三个运算放大器组成，Vo1、Vo2和Vo分别为三运放的输出电压。分析电路知流过R2、R1的电流相等，设为i，可以计算出理想的输出电压Vo.

i=（式1）

V

o1=V

i1

+R

2

i （式2）

V

o2=V

i2

-R

2

i （式3）

Vo=(V

o1-V

o2

)=)(V

i1

-V

i2

) （式4）

由式4知差分放大电路的放大倍数为)，主要由及的值决定，

但R1、R3太小会从集成运放中获取太大的电流，太大的R4、R2会增加电阻产生的噪声，故其放大倍数不宜太大，我们可先通过差分放大电路将电压信号放大至100mV左右，再通过后续的放大电路将其进一步放大以达到所要求值。实验中取R2=R3=10kΩ,R4=51kΩ,而将R1用一个1kΩ固定电阻和10kΩ滑动变阻器Rb

串联代替，即放大倍数为5.1(1+),可以通过改变Rb阻值来进行调节。

差分放大电路具有以下优点：

1）高输入阻抗。被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。

2）高共模抑制比。电路对共模信号几乎没有放大作用,共模电压增益接近零。3）低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。

4）电路的增益可以通过改变电阻R1阻值来调节。

二级放大电路

该部分的主要任务是对已经放大了的信号进行进一步的处理，同时协调整体电路工作，使之满足不同输出任务的需要。后续放大电路原理如图9所示

图9二级放大电路

Vin为输入信号即差分放大电路的输出，Vout为输出。

=（式5）Vout=（式6）

实验总体电路：

实验整体电路如附图1所示。

三、需用器件与单元：

传感器、实验台、实验元件箱。

四、实验内容及步骤

实验内容及步骤（一）：电路安装与调试

该部分主要任务：完成实验电路安装、检查、调试任务。确保实验电路能正常工作。

1 按附图1要求认真选择，统计各需要的原件。

2 合理安排各原件在电路板上的位置。按同一功能部分原件相对集中，不同功

能电路相对分开的原则安排原件，便于查找和排除故障。

3 接线时认真看清楚每一根导线与电子原件的连接点，保证每一根导线连接正

确。

4 通电前先检查各部分电路是否连接完成，有无短路现象，特别是电解电容极

性和运算放大器的电源极性。

5 通电后先观察各电子原件有无异常反应，供电电源有无异常反应。

6 一切正常后进行电路调零。

方法如下：短接A,B两端，输出端接数字表，调节RW2使数字表显示为零。

7 电路增益的调节方法按实验不同分为两种：

（1）在PT100热电阻实验中，先将增益调节电位器调节到最大，再反向调节一圈即可。

（2）在K型热电偶实验中，将增益调节电位器调节到最小即可。

实验内容及步骤（二）：控制仪表及温度控制软件的使用

该部分主要任务：完成实验台与温度控制箱的连线、实验台温度控制部分的相关设置、温度控制软件的使用方法及相关设置。为实验电路的实验数据采集作准备。

温度控制设备：温度控制设备是由温度传感器，智能控制仪表，冷却风扇，温度试验箱等部分组成，主要任务是为温度检测实验提供稳定的温度源。

实验时，由温度控制器软件调整实验箱的温度。温度控制设备接线图如图10所示。

图10：温度控制设备接线图

温度控制部分连线步骤

1实际实验中需将温度源试验箱的24V端与实验台的0-24V“转速调节”端相连。控制电压调整到22V（可由控制台电表监测）。

2 实验台“控制对象”选择：RtVi挡。

3 将pt100连接至相应的1，2，3端口。

4 连接RS232串口线。

5 连接“加热控制”线。

6 检查1-5步骤完成无误后，开启“调节器电源”。

温度控制软件是针对控制仪表而开发的软件，它可以实现控制仪表内部参数及运行参数的计算机调整从而大大简化了操作过程，降低了仪器设备的损坏率。控制仪表是一种智能型控制仪表，可应用于多种控制场合。其内部参数如表3

所示。

温度控制软件使用方法：

1 进入“温度控制仪软”件文件夹，双击“温度控制仪软”图标，即可进入温度控制界面。

2 控制界面如图11所示。

图11温度控制界面

界面上部为菜单栏，由“通讯设置”，“曲线设置”、“历史记录”、“打印”、“退

出”等选项组成。

3 运行时，先点击菜单栏“通讯设置”进行通讯设置。点击“通讯设置”后，出现图12界面。

温度控制设置项

图12通讯设置界面

注：通讯设置界面的参数选择一般为默认值 点击“确定”后，进入“控制界面” 4 温度“控制界面”如图13所示。

图13温度控制界面

仪表参数的设置：进入仪表参数设置界面，按下面各项要求设置参数。 1 Sn (输入方式)：Pt1

2 oP-A (主控输出方式)：2（固态继电器）

3 oP-b (副控输出方式)：1

4ALP (报警方式) ：1（上限报警）

5CooL (正反控制选择) ：0（反向控制）

6P-SH (显示上限) ：100

7P-SL (显示下限) ：0

8AL-1(上限报警)：100℃

9Pb (传感器误差修正)：0

10P (速率参数)：280

11I (保持参数)：380

12d (滞后时间) ：70

13FILt (滤波系数) ：2

14dp (小数点位置) ：1

15outH (输出上限) ：110

16outL (输出下限) ：0

17At (自整定状态) ：0（关闭）

18LoCK (密码锁) ：0

实验温度设定：实验时进入“实验观察界面”，按实验要求分别设定实验温度。注意：实验时只调整温度设置参数，不要调整其他参数，以免影响实验数据。

实验内容及步骤（三）：温度测量电路实验数据采集及处理该部分主要任务：对已安装调试好的温度测量电路进行温度测量实验、记录实验数据、画出实验曲线、分析实验结果、完成实验报告。热电阻，热电偶与测量电路输入端实验连接方法如图14所示。

A

B

热电阻

+ A

- B

热电偶

热电阻，热电偶实验连接示意图

实验内容及步骤（1）：pt100热电阻测试实验

1 加入热电阻检测电桥，加入+2V 电压，电桥与测量电路连接方法如图14所示。

2 开启温度实验箱，开启温度控制软件，实验仪器预热5分钟。

3 按实验要求选择相关温度值，待温度控制箱温度稳定后，用数字电压表测量电桥输出电压和测量电路输出电压，并将相关实验数据分别记录在表3，4中。

4 实验报告要求：画出实验曲线。

实验内容及步骤（2）：K 热电偶测试实验

1加入热电偶，热电偶与测量电路连接方法如图14所示。

2开启温度实验箱，开启温度控制软件，实验仪器预热5分钟。

3 首先将温度控制输入设定为0(℃)，等待温度控制箱温度稳定后，读取此时的温度值T1=?,热电偶输出电压值V1=?（mV ）

4按实验要求选择相关温度值，待温度控制箱温度稳定后，用数字电压表测量热电偶输出电压和测量电路输出电压，并将相关实验数据分别记录在表5，6中。

5待温度下降过程实验数据采集完成后将温度控制输入设定为0(℃)，等待温度控制箱温度稳定后，读取此时的温度值T2=?,热电偶输出电压值V2=?（mV）

4实验要求：

（1）画出实验曲线。

（2）根据V1（热电偶输出电压值（mV）），计算热电偶输出端测到的温度上升过程实际温度值。

（3）根据V2（热电偶输出电压值（mV）），计算热电偶输出端测到的温度下降过程实际温度值。

（4）分析误差产生的主要原因。

实验总结：

通过本实验设计、安装、调试过程所获得的一些心得体会，实验过程中遇到的问题及解决方法，对本实验的合理化建议等。