热电偶温测量系统的设计PPT课件

1、15.2电电路原理与设计与设计传感器模型的建立传感器模型的建立热电偶是把温度转化为电势大小的热电式传感器。表热电偶是把温度转化为电势大小的热电式传感器。表15-115-1为为K K型热电偶的分度表，这是型热电偶的分度表，这是在冷端温度为在冷端温度为00时测定的数值。对大量数据进行分析，可得热电偶的数学模型如下：时测定的数值。对大量数据进行分析，可得热电偶的数学模型如下： 式中：式中：t tR R表示测量温度；表示测量温度；t tAMRAMR表示测温参考点。表示测温参考点。NoImage 41/(15 1)outRAMRVVCtt第1页/共41页15.2电电路原理与设计与设计 表表 15-1 K

2、15-1 K型热电偶的分度表型热电偶的分度表第2页/共41页15.2电电路原理与设计与设计根据上式在根据上式在MultisimMultisim中建立热电偶的仿真模型如图中建立热电偶的仿真模型如图15-115-1所示。所示。 图图15-1 15-1 热电偶模型热电偶模型以上模型只是对热电偶性能的一个近似，是线性的，而以上模型只是对热电偶性能的一个近似，是线性的，而实际热电偶的具有一定的非线性。实际热电偶的具有一定的非线性。（a a）热电偶示意图）热电偶示意图（b b）冷端温度为）冷端温度为00时的模型时的模型（c c）冷端温度为）冷端温度为室温时的模型室温时的模型第3页/共41页图图15-2 1

3、5-2 电桥补偿电桥补偿温度补偿电路的设计温度补偿电路的设计若用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由若用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在端（冷端）通常被放在00的环境中。若冷端温度不是的环境中。若冷端温度不是00，则会产生测量误差，此，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。时要进行冷端补偿。本设计的冷端补偿采用电桥补偿，如图本设计的冷端补偿采用电桥补偿，如图15-215-2所示。所示。15.2电路原理与设计第4页/共41页 三极管基极与集电极相连，相当于一个负温度系数的三极管基极与集电极相连，相当于一个负温度系

4、数的PNPN结。三极管可选用结。三极管可选用90139013，由于由于MultisimMultisim器件库中没有，选用三极管器件库中没有，选用三极管2N22222N2222代替。代替。电桥中电桥中R R3 3的值应和的值应和R R4 4的值相等，调节滑动变阻器使上面的左右两桥臂的总电阻值的值相等，调节滑动变阻器使上面的左右两桥臂的总电阻值也相等，才能使电桥平衡。调整电桥上下两臂的电阻的比值，可调节输出电压的也相等，才能使电桥平衡。调整电桥上下两臂的电阻的比值，可调节输出电压的大小，即补偿电压的大小，合理选择这个比值，可使补偿电路的电压正好等于热大小，即补偿电压的大小，合理选择这个比值，可使补

5、偿电路的电压正好等于热电偶自由端温度上升而降低的电压值，从而起到电压补偿的作用。电偶自由端温度上升而降低的电压值，从而起到电压补偿的作用。图12-2（a）框图面板及函数模板15.2电路原理与设计第5页/共41页15.2电电路原理与设计与设计注意：电桥调零时，应使三极管注意：电桥调零时，应使三极管2N22222N2222的参数测量温度为的参数测量温度为0 0摄氏度，即此时自由摄氏度，即此时自由端温度为端温度为0 0摄氏度，不用进行温度补偿。摄氏度，不用进行温度补偿。补偿电路的输出端接补偿电路的输出端接HB/SCHB/SC连接器，将该电路全部选中，鼠标右键点击该电路然连接器，将该电路全部选中，鼠标

6、右键点击该电路然后选择用子电路替换，将该子电路的名称设为后选择用子电路替换，将该子电路的名称设为K K，子电路模块的两输出端分别为，子电路模块的两输出端分别为补偿电路的正负输出端。补偿电路的正负输出端。 图12-2（b）前面板及控件模板第6页/共41页15.2电电路原理与设计与设计放大电路设计放大电路设计放大电路部分与放大电路部分与节的金属应变片放大电路相似，由仪用放大和比例放大环节组成，节的金属应变片放大电路相似，由仪用放大和比例放大环节组成，如图如图15-315-3所示，其中所示，其中R RW1W1可调节仪用放大器的放大倍数，可调节仪用放大器的放大倍数，R RW2W2用于电路调零。用于电路

7、调零。电路设计好后，要进行电桥、比例放大的调零和增益的调整。电路设计好后，要进行电桥、比例放大的调零和增益的调整。第7页/共41页15.2电电路原理与设计与设计 图图15-3 15-3 电路设计电路设计第8页/共41页15.2电电路原理与设计与设计直流稳压源设计直流稳压源设计电路中的供电电源都采用电路中的供电电源都采用15V15V直流电源直接供电，实际应用中需要设计直流稳压直流电源直接供电，实际应用中需要设计直流稳压电路来实现交电路来实现交- -直流的转换，以及稳定供电电压。直流稳压电源电路如图直流的转换，以及稳定供电电压。直流稳压电源电路如图15-415-4所所示。示。 图图15-4 15-

8、4 直流稳压源电路直流稳压源电路第9页/共41页15.2电电路原理与设计与设计图12-3 修饰子模块 综合电路仿真综合电路仿真综合电路如图综合电路如图15-315-3所示，下面我们主要来对各子电路模块进行仿真分析。所示，下面我们主要来对各子电路模块进行仿真分析。1 1）热电偶及热电偶补偿子电路分析）热电偶及热电偶补偿子电路分析 在图在图15-215-2的电桥补偿电路中，对三极管的电桥补偿电路中，对三极管2N22222N2222进行温度参数扫描分析，扫描参进行温度参数扫描分析，扫描参数设为数设为temptemp（温度），从（温度），从0033每隔每隔11扫描一个值。输出电压值为三极管的扫描一个值

9、。输出电压值为三极管的集电极与发射极电压之差，扫描的分析是瞬态分析。分析的结果如图集电极与发射极电压之差，扫描的分析是瞬态分析。分析的结果如图15-515-5所示，所示，温度每增加温度每增加11，三极管两端电压下降约，三极管两端电压下降约2mV2mV。第10页/共41页15.2电电路原理与设计与设计图图15-5 PN15-5 PN结负温度特性结负温度特性第11页/共41页15.2电电路原理与设计与设计补偿电桥电路应首先调零，调零的方法是首先双击三极管，打开如图补偿电桥电路应首先调零，调零的方法是首先双击三极管，打开如图15-615-6所示的所示的属性设置对话框，单击属性设置对话框，单击“Edi

10、t Model”Edit Model”按钮，可打开元件模型编辑窗口，如图按钮，可打开元件模型编辑窗口，如图15-715-7所示，将参数测量温度设为所示，将参数测量温度设为00，然后调节滑动变阻器，然后调节滑动变阻器RWRW，使电桥两输出，使电桥两输出端端1212盒盒IO2IO2之间的电压近似为之间的电压近似为0 0。当自由端温度（即环境温度）为。当自由端温度（即环境温度）为2525时，将模时，将模拟环境温度的拟环境温度的V1V1的值设为的值设为25V25V，将三极管的参数测量温度设为，将三极管的参数测量温度设为2525，然后对电，然后对电路进行参数扫描分析，其设置如图路进行参数扫描分析，其设置

11、如图15-815-8所示。所示。 图12-4 图标编辑第12页/共41页15.2电电路原理与设计与设计图图15-6 15-6 三极管三极管2N22222N2222属性设置对话框属性设置对话框图图15-7 15-7 元件模型编辑窗口元件模型编辑窗口第13页/共41页15.2电电路原理与设计与设计图12-7 连接器和显示器件关联（a a）分析参数设置）分析参数设置（b b）输出端设置）输出端设置图图15-8 15-8 参数扫描设置参数扫描设置第14页/共41页15.2电电路原理与设计与设计选择模拟温度变化的电压源作为扫描对象，在选择模拟温度变化的电压源作为扫描对象，在0V0V到到100V100V的

12、范围内，每隔的范围内，每隔10V10V扫描扫描一次，设置扫描直流工作点，输出变量选择子电路的两输出端之差，如图一次，设置扫描直流工作点，输出变量选择子电路的两输出端之差，如图15-815-8（b b）所示。扫描结果如图所示。扫描结果如图15-915-9所示，将该仿真数据与表所示，将该仿真数据与表15-115-1的的K K型热电偶分度表进行比型热电偶分度表进行比较，可知经补偿后，在表较，可知经补偿后，在表15-115-1所列的各温度下，子电路总的输出电压和分度表中所列的各温度下，子电路总的输出电压和分度表中的值基本相符。的值基本相符。注意：因仿真中所用的仿真模型只是对热电偶的近似，所以在自由端温

13、度为注意：因仿真中所用的仿真模型只是对热电偶的近似，所以在自由端温度为0 0摄氏摄氏度的情况下，热电偶模型的输出电压值就有误差，而补偿电桥的设计只是保证度的情况下，热电偶模型的输出电压值就有误差，而补偿电桥的设计只是保证0 0摄摄氏度时仿真电桥电路的输出为氏度时仿真电桥电路的输出为0 0，所以仿真子电路输出的电压值和，所以仿真子电路输出的电压值和K K型热电偶分度型热电偶分度表的相应值会有一定误差。表的相应值会有一定误差。 第15页/共41页15.2电电路原理与设计与设计 图图15-9 15-9 参数扫描分析结果参数扫描分析结果第16页/共41页15.2电电路原理与设计与设计2 2）直流稳压源

14、子电路分析）直流稳压源子电路分析 下面对这个电路进行如下仿真：下面对这个电路进行如下仿真： 桥式整流输出电压：桥式整流输出电压： 整流桥输出接负载后，用示波器观察波形如图整流桥输出接负载后，用示波器观察波形如图15-1015-10所所示。正弦波经整流后输出单一方向的波动。示。正弦波经整流后输出单一方向的波动。图图15-10 15-10 整流桥输出整流桥输出第17页/共41页15.2电电路原理与设计与设计 滤波后输出电压滤波后输出电压 整流桥后接滤波器，输出接电阻后电路输出波形如图整流桥后接滤波器，输出接电阻后电路输出波形如图15-1115-11所示。由图可以看到，交流成分减小，但仍然存所示。由

15、图可以看到，交流成分减小，但仍然存在小的波动。在小的波动。图图15-11 15-11 滤波后输出滤波后输出第18页/共41页15.2电电路原理与设计与设计 接三端稳压后输出接三端稳压后输出 接三端稳压后，正端接负载后输出电压如图接三端稳压后，正端接负载后输出电压如图15-1215-12所示。所示。输出电压基本稳定。输出电压基本稳定。图图15-12 15-12 稳压源输出稳压源输出第19页/共41页15.2电电路原理与设计与设计 电压调整率电压调整率 输入输入220V220V交流电，变化范围为交流电，变化范围为15%15%20%20%，所以电压波，所以电压波动范围为动范围为176V176V253

16、V253V。在额定输入电压下，当输出满载时，。在额定输入电压下，当输出满载时，调整输出电阻，使电流约为最大输出电流，即调整输出电阻，使电流约为最大输出电流，即0.1A0.1A，得满载，得满载时电阻为时电阻为138138。当输入电压为。当输入电压为176V176V、负载为、负载为138138时，输出电时，输出电压压U1U1为为14.832V14.832V；当输入电压为；当输入电压为220V220V、负载为、负载为138138时，输出时，输出电压电压U0U0为为14.839V14.839V；当输入电压为；当输入电压为253V253V，负载为，负载为138138时，输时，输出电压出电压U2U2为为1

17、4.842V14.842V。取取U U为为U1U1和和U2U2中相对中相对U0U0变化较大的值，则变化较大的值，则U=14.832U=14.832，所以电，所以电压调整率：压调整率：NoImage0014.832 14.8390.007100%100%100% 0.05%14.83914.839vU USU第20页/共41页15.2电电路原理与设计与设计 电流调整率电流调整率 设输入信号为额定设输入信号为额定220V220V交流电，当输出满载（交流电，当输出满载（138138）时，输出电压时，输出电压U0U0为为14.839V14.839V；当输出空载时，输出电压；当输出空载时，输出电压U U

18、为为15.26V15.26V；当输出为；当输出为50%50%满载时，输出电压满载时，输出电压U0U0为为14.9814.98所以电压调整率：所以电压调整率： 纹波电压：纹波电压： 在额定在额定220V220V输入电压下，输出满载，即负载电阻为输入电压下，输出满载，即负载电阻为138138时，在示波器中观察输出波形，如图时，在示波器中观察输出波形，如图15-1315-13所示。所示。因只选择了观察交流成分，所以所观察到的信号即纹波因只选择了观察交流成分，所以所观察到的信号即纹波电压信号，其峰峰值为电压信号，其峰峰值为2.143nV2.143nV。NoImage0015.26 14.980.281

19、00%100%100% 1.9%14.9814.98IU USU第21页/共41页15.2电电路原理与设计与设计图图15-13 15-13 波纹电压示意图波纹电压示意图第22页/共41页15.2电电路原理与设计与设计 输出抗干扰电路分析输出抗干扰电路分析 图图15-14(a)15-14(a)为未加抗干扰电路前系统的幅频响应图，可为未加抗干扰电路前系统的幅频响应图，可以看到交流成分的幅值很小。当输出加了抗干扰电路后，以看到交流成分的幅值很小。当输出加了抗干扰电路后，输出的幅频响应如图输出的幅频响应如图15-14(b)15-14(b)所示，可以看到高频噪声所示，可以看到高频噪声得到一定程度的抑制。

20、得到一定程度的抑制。(a)(b)图图15-14 15-14 抗干扰电路交流分析抗干扰电路交流分析第23页/共41页15.2电电路原理与设计与设计 电路分析完成后，对电路进行仿真得到实验结果如表电路分析完成后，对电路进行仿真得到实验结果如表15-215-2所示。所示。 表表15-2 15-2 实验数据实验数据第24页/共41页15.3 LabVIEW虚拟仪虚拟仪器设计设计数据显示子程序设计数据显示子程序设计 将上节中表将上节中表15-215-2的数据经的数据经MATLABMATLAB多项式拟和后，多项式拟和后， 得下式：得下式： （15-215-2） 反解得到反解得到: : （15-315-3）

21、NoImage30.78970.049210TU10000.04920.7897UT第25页/共41页15.3 LabVIEW虚拟仪虚拟仪器设计设计从开始菜单中运行从开始菜单中运行“National Instruments LabVIE-W 8.2”National Instruments LabVIE-W 8.2”， 在在Getting Getting StartedStarted窗口左边的窗口左边的FilesFiles控件里，选择控件里，选择Blank VIBlank VI建立一个新程序。建立一个新程序。框图程序的绘制：框图程序的绘制： 设计的子程序框图如图设计的子程序框图如图15-151

22、5-15所示。本设计关于数据的转换采用第三种方法设计所示。本设计关于数据的转换采用第三种方法设计程序框图，用这种方法设计的子程序在接口电路设计时不用考虑数据转换。由程序框图，用这种方法设计的子程序在接口电路设计时不用考虑数据转换。由设计设计2 2的方法想到利用的方法想到利用For LoopFor Loop进行两次自动索引，便可以使数据变为单个值显进行两次自动索引，便可以使数据变为单个值显示，这里省去了矩阵索引函数。需要注意的是，后面的数据通道不能设为自动示，这里省去了矩阵索引函数。需要注意的是，后面的数据通道不能设为自动索引，否则输出将不再是单个数值。索引，否则输出将不再是单个数值。 第26页

23、/共41页15.3 LabVIEW虚拟仪虚拟仪器设计设计图图15-15 15-15 程序框图程序框图第27页/共41页15.3 LabVIEW虚拟仪虚拟仪器设计设计 图中图中U U0 0为时域信号采集器，它将电压的波形提取出来，再将连续电压值作为为时域信号采集器，它将电压的波形提取出来，再将连续电压值作为VIVI的输入。时域信号的采集器由控制模板的输入。时域信号的采集器由控制模板I/OI/O模块里的波形函数经矩阵化而成。模块里的波形函数经矩阵化而成。连续的电压波形在外层连续的电压波形在外层ForFor循环内必须加一个波形元素提取模块把循环内必须加一个波形元素提取模块把Y Y值提取出来，值提取出

24、来，否则数据在里层否则数据在里层ForFor循环中不能利用自动索引，达不到数据转换的目的。根据式循环中不能利用自动索引，达不到数据转换的目的。根据式15-315-3在里层在里层ForFor循环中用常数和运算函数构建程序框图，输出包括电压数显和温循环中用常数和运算函数构建程序框图，输出包括电压数显和温度计。度计。第28页/共41页15.3 LabVIEW虚拟仪虚拟仪器设计设计定义图标与连接器定义图标与连接器双击右上角图标进行编辑后，用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在快捷双击右上角图标进行编辑后，用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在快捷菜单中选择菜单中选择Show ConnectorSh

25、ow Connector，定义连接。，定义连接。建立前面板上的控件和连接器窗口的端子关联。连接器输入只有一个，与时域波建立前面板上的控件和连接器窗口的端子关联。连接器输入只有一个，与时域波形采集器相关联，输出有两个，分别与电压数显模块和温度计相关联。完成上形采集器相关联，输出有两个，分别与电压数显模块和温度计相关联。完成上述工作后，将设计好的述工作后，将设计好的VIVI保存。下次调用该保存。下次调用该VIVI时，图标与端口如图时，图标与端口如图15-1615-16所示。所示。图图15-16 15-16 子子VIVI图标图标第29页/共41页15.3 LabVIEW虚拟仪虚拟仪器设计设计接口电路

26、的设计与编译接口电路的设计与编译子程序设计好后，需要设计接口电路。本设计中接口电路的设计与编译分以下几步：子程序设计好后，需要设计接口电路。本设计中接口电路的设计与编译分以下几步：把把MultisimMultisim安装目录下安装目录下SamplingLabVIEW Instrum-entsTemplatesInputSamplingLabVIEW Instrum-entsTemplatesInput文文件夹拷贝到另外一个地方。件夹拷贝到另外一个地方。在在LabVIEW LabVIEW 中打开步骤中所拷贝的中打开步骤中所拷贝的StarterInputIn-strument .lvprojSta

27、rterInputIn-strument .lvproj工程，如图工程，如图15-1715-17。接口电路的设计是在。接口电路的设计是在Starter Input Instrument.vitStarter Input Instrument.vit中进行。中进行。第30页/共41页15.3 LabVIEW虚拟仪虚拟仪器设计设计图图15-17 StarterInputInstrument .lvproj15-17 StarterInputInstrument .lvproj工程图工程图第31页/共41页15.3 LabVIEW虚拟仪虚拟仪器设计设计打开打开Starter Input Instru

28、ment.vitStarter Input Instrument.vit的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理部分，选择部分，选择CASECASE结构下拉菜单中的结构下拉菜单中的Update DATAUpdate DATA选项进行修改。按框图中的说选项进行修改。按框图中的说明，在结构框中右键选择明，在结构框中右键选择Select a VISelect a VI，把在，把在L-abVIEWL-abVIEW完成的子完成的子VIVI添加在添加在Update Update DATADATA框中即可。此时只能添加功能，不可修改框图面板的原状，如图框中即可。此

29、时只能添加功能，不可修改框图面板的原状，如图15-1815-18所示。所示。由于数据的转换在子由于数据的转换在子VIVI的设计中已经实现，所以子的设计中已经实现，所以子VIVI的输入直接与的输入直接与MultisimMultisim的输的输出数据相连即可。为子出数据相连即可。为子VIVI的输出创建指示器，并设置室温的输出创建指示器，并设置室温T0T0为为2525。框图面板设计。框图面板设计好后，在前面板中还需进一步地调整，并用控制模板下的修饰（好后，在前面板中还需进一步地调整，并用控制模板下的修饰（DecorationsDecorations）子）子模板对界面进行美化。最后保存修改，并重命名为

30、模板对界面进行美化。最后保存修改，并重命名为proj3.vitproj3.vit。 第32页/共41页图图15-18 15-18 数据处理部分框图数据处理部分框图15.3 LabVIEW虚拟仪器设计第33页/共41页15.3 LabVIEW虚拟仪虚拟仪器设计设计 注意虚拟仪器信息的设置也可在注意虚拟仪器信息的设置也可在Instrument Templ-ateInstrument Templ-ate下下proj3.vitproj3.vit的程序框图里的程序框图里设计，如图设计，如图15-1915-19所示。打开所示。打开Multisim Instr InfoMultisim Instr Info

31、子程序设置各项，在仪器子程序设置各项，在仪器IDID中和中和显示名称中填入唯一的标识，同时把输入端口数设为显示名称中填入唯一的标识，同时把输入端口数设为1 1，因为只有一个电压输入；，因为只有一个电压输入；把输出端口设为把输出端口设为0 0，此模块不需要向，此模块不需要向MultisimMultisim输出。修改后选另存为后把它重命输出。修改后选另存为后把它重命名为名为proj3_multisimInformation.viproj3_multisimInformation.vi。保存后查看工程文件。保存后查看工程文件StarterInputInstrument.lvprojStarterIn

32、putInstrument.lvproj下的下的SubVIsSubVIs，它下面的子程序已被修改。，它下面的子程序已被修改。 第34页/共41页15.3 LabVIEW虚拟仪虚拟仪器设计设计 图图15-19 ID15-19 ID号号A A置的另一种方法置的另一种方法第35页/共41页15.3 LabVIEW虚拟仪虚拟仪器设计设计打开打开Build SpecificationsBuild Specifications，右键点击，右键点击Source Distributi-onSource Distributi-on，选择属性设置，在保，选择属性设置，在保存目录和支持目录中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如存目录和支持目录中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如proj3proj3（.lib.lib）。）。同时在原文件设置中选择总是包括所有