热电偶测温系统

1、温度测量系统的设计温度测量系统的设计 主讲：沈德智主讲：沈德智组员：谭前松组员：谭前松 王硕王硕 刘忠刘忠正正 高铮高铮 王行王行 刘宇佳刘宇佳 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。温度测量的意义温度测量的意义测温系统方案测温系统方案红外测温红外测温热电阻测温热电阻测温热电偶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，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并选择一种

2、作为本系统的执行方案典型温度测量系统方案典型温度测量系统方案红外测温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。而辐射的能量则与该物体的温度成辐射的能量则与该物体的温度成比例比例，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传感器的选型及工作原理红外红外测温测温缺点缺点环境对系统性能指标影响较大环境对系统性能指标影响较大 价格高，不能测量内部温度价格高，不能测量内部温度优点优点非接触测量非接触测量不破坏被测温度场的均衡不破坏被测温度场的均衡热电偶测温热电偶测温 工作原理 ：两种不同成份

3、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，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传感器的选型及工作原理热电偶热电偶测温测温缺点缺点长期使用中，容易受到腐蚀长期使用中，容易受到腐蚀 需要进行冷端温度补偿需要进行冷端温度补偿优点优点测量精度高，测温范围广测量精度高，测温范围广构造简单，使用方便构造简单，使用方便热电阻

4、测温热电阻测温 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传感器的选型及工作原理热电阻热电阻测温测温缺点缺点需要电源来激励需要电源来激励不能够瞬时测量温度的变化不能够瞬时测量温度的变化 优点优点测量精度高测量精度高,性能稳定性能稳定最常用在中低温测量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0.003851。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

5、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变化，再由A/D 转换器转换为数字信号。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0650范围内：Rt =R0 (1+At+Bt2)在-2000范围内：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)式中A、B、C 为常数，A=3.9684710-3；B=-5.84710-7；C=-4.2210-12；

6、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为华氏温度三三线制线制，恒流源恒流源v 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。v 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恒流源式测温电路恒流源式测温电路测温原理：通过运放U1A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

7、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-）/RPt1000因此电阻Pt100上的压降VPt100Vo-V-V-*RPt100/R1，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。 信号调理电路设计信号调理电路设计放大电路放大电路滤波电路滤波电路信号调理信号调理电路电路 A/ D转换电路图转换电路图AD 系统将检测到模拟信号送入A/

8、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温度测量系统的硬件设计框图热电阻热电阻信号调理信号调理电路电路PT100温度测量系统硬件电路温度测量系统硬件电路AD转换转换单片机单片机LCD显示显示键盘键盘串口通信串口通信v 测温的模拟电路是把当前PT100热电阻传感器的电阻

9、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转换电路时钟电路按键控制电路AT89S52单片机LED数码管显示电路PT100阻值计算阻值计算 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

10、/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得到当前的温度值。Pt100热电阻分度表热电阻分度表两种方法两种方法v根据误差理论，我们要获得较高精度的温度测量值，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。v 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。减小误差的方法减小误差的方法-最小二乘理论建模最小二乘理论建模v这里我们考虑第2种方

11、法的优点v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v然后计算出温度值，我们对整个测量范围分了3段， 分别为049、5070、71100 利用分度表进行离线的数学拟合，得到各段的数学模型系数。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。v 通过最小二乘法进行线性拟合，得到如下的数学模型为：vT1=2.5772R-257.7708 0-49vT2=2.6366R-267.01 5070vT3=2.7206R-281.90 71100v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，

12、这样理论的误差将会变得更小。R1R2R3100.0197101.2706103.6168103.8999105.0633107.2925107.7801108.8561110.9682111.6603112.6489114.6438115.5404116.4416118.3195119.4206120.2344121.9951123.3008124.0272125.6708127.1809127.8199129.3465131.0612131.6127133.0221134.9413135.4054136.6978138.8215139.1982140.3734Pt100的误差 Pt100的误

13、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。误差数据表误差数据表温度电阻曲线温度电阻曲线谢谢大家信号调理电路信号调理电路放大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。 信号调理电路信号调理电路滤波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。 放大电路放大电路12345678U12AD620AN (8)R60522kR60722kC61110uF/25VC60710uF/25VW602500R6091KC6091uFVCC+12VVCC-12VSENSOR+SENSOR-VO滤波电路