热电偶测温系统

1、温度测量系统的设计,主讲：沈德智,组员：谭前松,王硕,刘忠,正,高铮,王行,刘宇佳,?,在工业生产过程中，温度一直都是一个很重,要的物理参数，温度的检测和控制直接和安全,生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大,技术经济指标相联系，因此在各个领域中都受,到了人们的普遍重视。温度检测类仪表作为温,度测量工具，也因此得到广泛应用。,温度测量的意义,测温系统方案,红外测温,热电阻测温,热电偶测温,通过比较和分析几种常见的测温系统方案，,并选择一种作为本系统的执行方案,典型温度测量系统方案,红外测温,红外测温仪实际上是一种非接触式辐射能量探测器，世界上所有,的物体都会产生红外线辐射。而,辐射的能量则与

2、该物体的温度成,比例,，非接触式温度测量即是测量物体辐射能量的强弱，并由此,得到一个与该物体温度成比例的信号。,传感器的选型及工作原理,红外,测温,缺点,环境对系统性能指标影响较大,价格高，不能测量内部温度,优点,非接触测量,不破坏被测温度场的均衡,热电偶测温,工作原理,：两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）,两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动,势，这种现象称为,热电效应,，而这种电动势称为热电势。热电偶就,是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的,一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿,端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，

3、显示仪表会指出热电偶所,产生的热电势。,传感器的选型及工作原理,热电偶,测温,缺点,长期使用中，容易受到腐蚀,需要进行冷端温度补偿,优点,测量精度高，测温范围广,构造简单，使用方便,热电阻测温,热电阻是基于电阻的,热效应进行温度测量的，,即电阻体的阻值随温度的,变化而变化的特性。,因此，只要测量出感,温热电阻的阻值变化，就,可以测量出温度。目前主,要有金属热电阻和半导体,热敏电阻两类。,传感器的选型及工作原理,热电阻,测温,缺点,需要电源来激励,不能够瞬时测量温度的变化,优点,测量精度高,性能稳定,最常用在中低温测量,?,铂热电阻温度传感器零摄氏度标称中,阻值为,100 ,电阻变化系数为,0.

4、003851,。,铂电阻温度传感器,精度高,稳定性好,应用温度范围广,是中低温区最常用的一,种温度传感器,不仅广泛用于工业测温,而且被制成各种标准温度计供计量和校,准使用。,?,本设计以,铂热电阻,Pt100,作为温度传,感器，将温度变化转换成电阻变化，通,过放大采集电路将电阻变化转换成电压,PT100,的参数,?,PT100,温度传感器是一种以铂,(Pt),做成的电阻式温度传感器，,属于正电阻系数,其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：,?,在,0,650,范围内：,?,Rt =R0 (1+At+Bt2),?,在,-200,0,范围内：,?,Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-10

5、0)t3),?,式中,A,、,B,、,C,为常数，,?,A=3.96847,10-3,；,?,B=-5.847,10-7,；,?,C=-4.22,10-12,；,?,在测量较小范围内其电阻和温度变化的关系式如下：,?,R=Ro(1+T),?,其中,=0.00392, Ro,为,100(,在,0,的电阻值,),T,为华氏温度,三,线制,，,恒流源,?,常用的,PT,电阻接法有,两种，分别为三线制和,两线制，本,设计,采用,三,线制。,?,常用的采样电路有两,种：一为桥式测温电路；,一为恒流源式测温电路。,本设计采用恒流源测温,电路,恒流源式测温电路,恒流源式测温电路,?,测温原理：通过运放,U1

6、A,将基准电压,2.32V,转换为恒流源，,电流流过,Pt100,时在其上产生压降，再通过运放,U1B,将该微弱压,降信号放大（图中放大倍数为,10,），即输出期望的,电压信号,，该,信号,经放大后,可直接连,AD,转换芯片。,?,根据虚地概念“工作于线性范围内的理想运放的两个输入端,同电位”，运放,U1A,的“,+,”端和“,-,”端电位,V+,V-,2.32V,；,假设运放,U1A,的输出脚,1,对地电压为,Vo,，,根据虚断概念，（,0-V-,）,/R1+,（,Vo-V-,）,/RPt100,0,?,因此电阻,Pt100,上的压降,?,VPt100,Vo-V-,V-*RPt100/R1,

7、，,?,因,V-,和,R1,均不变，因此图,3,虚线框内的电路等效为一个恒流,源流过一个,Pt100,电阻，电流大小为,V-,/R1,，,Pt100,上的压降仅和,其自身变化的电阻值有关。,信号调理电路设计,放大电路,滤波电路,信号调理,电路,A/ D,转换电路图,AD,系统将检测到模拟信号送入,A/D,转换器转换为数字,量信号，再送入单片机中。,本设计采用了,TLC1549,芯片,分辨率为,10,位,为逐次逼近型的高速,A/,D,芯片,内置采,保功能和系统时钟,该芯片有,3,个通道,其中两个数字量输,入通道（片选,CS,和内部时钟输出或外部时钟输入,I/,O,CLK,）,和一个三态数据输出通

8、道（,DOUT,）,从而可以方,便地实现,A/,D,芯片与单片机之间的数据接口,温度测量系统的硬件设计框图,热电阻,信号调理,电路,PT100,温度测量系统硬件电路,AD,转换,单片机,LCD,显示,键盘,串口通信,?,测温的模拟电路是把当前,PT100,热电阻传,感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，经,过放大器放大信号后送给,A/D,转换器把模拟电,压转为数字信号后传给单片机,AT89S51,，单片,机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电,阻值转换为温度值，并将数据送出到数码管进,行显示。,系统的总结构框图,信号放,大调理,电路,PT100,温度传,感器,A/D,转,换电路,时钟电,路,

9、按键控,制电路,AT89S52,单,片机,LED,数,码管显,示电路,PT100,阻值计算,?,由于,1549,芯片有,10,位分辨率，基准电压,V,基为,2.32v,，则模拟电压转换成数字电压,后的分度值为,V,基,/1024,电压信号,V0,与转换,后的数字电压,V1,关系为：,V0= V1*V,基,/1024,恒流源电流可以根据欧姆定律得：,I=VR/R1=1.16mA,VR,稳压管电压，为,2.32v,，,R1=2000,铂电阻的阻值,：,R0= V0/I,?,由,R0,值对照铂电阻阻值和温度变化表即可,Pt100,热电阻分度表,两种方法,?,根据误差理论，我们要获得较高精度的温度,测

10、量值，办法一般有,2,个,：,要么采用,查表法,，,要么建立高精度的,数学模型,。,?,如果用查表法，如果要提高测量精度，则需,要建立大量的表格，而且得提前做大量得试验,来进行多点校正,而采用已知的分度表，建立数学模型，然,后通过工程量（标度）变换，通过测量,A/D,转,换的结果后计算得到。,减小误差的方法,-,最小二乘理论建模,?,这里我们考虑第,2,种方法的优点,?,首先采用分段的方法，将测量范围分段，然后,查出该段的数学模型的各个系数,?,然后计算出温度值，我们对整个测量范围分了,3,段，,分别为,0,49,、,50,70,、,71,100,利用分度表进行离线的数学拟合，得到各段的,数学

11、模型系数。同时，可通过再将标度值代入,可粗略估计在各个测量段内的最大误差值。,?,通过最小二乘法进行线性拟合，得到如下,的数学模型为：,?,T1=2.5772R-257.7708 0-49,?,T2=2.6366R-267.01 50,70,?,T3=2.7206R-281.90 71,100,?,上述,3,个数学模型中，最大的理论误差,值都小于,0.1,，能够满足精度要求，实际上,如果有足够的时间，我们完全可以分得再细一,些，这样理论的误差将会变得更小。,R1,R2,R3,100.0197,101.2706,103.6168,103.8999,105.0633,107.2925,107.78

12、01,108.8561,110.9682,111.6603,112.6489,114.6438,115.5404,116.4416,118.3195,119.4206,120.2344,121.9951,123.3008,124.0272,125.6708,127.1809,127.8199,129.3465,131.0612,131.6127,133.0221,134.9413,135.4054,136.6978,138.8215,139.1982,140.3734,Pt100,的误差,?,Pt100,的误差：温度传感器在测量过程中,的主要误差来源,:,?,传感器对分度表的误差；,?,绝缘不

13、良引起的误差；,?,线路电阻引起的误差；,?,测量仪表的误差以及传热误差、动态相应,误差、干扰误差等。,误差数据表,温度电阻曲线,谢谢大家,信号调理电路,放大电路,信号的放大单元由低温漂、低偏置电流、高共模,抑制比、低噪的精密仪用放大器,AD620,为核心，,加上激励电源电路、零位调整电阻、增益调整电,阻、输出限幅保护电路等组成。,信号调理电路,滤波电路,滤波电路是信号调理电路的第二级,主要作用是：对放大之后的信号进行滤波。,在本系统中采用,二阶有源低通滤波,来滤除信号中,的高频干扰。,放大电路,1,2,3,4,5,6,7,8,U12,AD620AN (8),R605,22k,R607,22k,C611,10uF/25V,C607,10uF/25V,W602,500,R609,1K,C609,1uF,VCC+12V,VCC-12V,SENSOR+,SENSOR-,VO,滤波电路,2,O,2,2,2,i,(,),1,(,),(,1,2,1,2),(,1,2),2,1,2,n,n,n,V,s,V,s,R,R,C,C,s,R,R,C,s,s,s,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,滤波系统的传递函数为,（,1,）,1,2