PT100温度传感器课程设计.docx
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PT100温度传感器课程设计
燕山大学传感器课程设计
题目:
PT100温度传感器课程设计
系部:
电气工程系
专业:
生物医学工程1班
******0912********
指导教师:
***
完成时间:
2011年12月31日
一.摘要前言
二.PT100温度传感器温度与阻值的关系
三.PT100温度传感器的接线方法
四.PT100温度传感器的测温原理
五.PT100温度传感器的接线方法对测量精度的影响
六.PT100温度传感器的抗干扰问题处理
七.恒流源设计
八.AD转换部分程序
九.PT100温度传感器的探头设计
十.PT100温度传感器的数据处理及参数计算
十一.PT100温度传感器的应用
十二.结论
十三.参考文献
一.
温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一,无论是在生产实验场所,还是在居住休闲场所,温度的采集或控制都十分频繁和重要,而且,网络化远程采集温度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。
由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系,所以温传感器就会相应产生。
二PT100温度传感器温度与阻值的关系
四测温原理
设计原理:
pt100是铂热电阻,它的阻值跟温度的变化成正比。
PT100的阻值与温度变化关系为:
当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
它的工业原理:
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
温度传感器PT100是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200℃至650℃的范围.
针对不同温度,测量的电阻值也不同,具体有个pt100温度阻值对照表(XX一下)
法
五接线方法对测量精度的影响
[图文]Pt100热电阻两线制、三线制和四线制接线对测温精度的影响
1、Pt100热电阻的三种接线方式在原理上的不同:
二线制和三线制是用电桥法测量,最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系。
四线没有电桥,完全只是用恒
流源发送,电压计测量,最后给出测量电阻值。
2、Pt100热电阻的三种接线方式对测量精度的影响
连接导线的电阻和接触电阻会对Pt100铂电阻测温精度产生较大影响,铂电阻三线制或者四线制接线方式能有效
消除这种影响。
与热电阻连接的检测设备(温控仪、PLC输入等)都有四个接线端子:
I+、I-、V+、V-。
其中,I+、I-端是为了
给热电阻提供恒定的电流,V+、V-是用来监测热电阻的电压变化,依次检测温度变化。
请参阅下图:
(1)四线制就是从热电阻两端引出4线,接线时电路回路和电压测量回路独立分开接线,测量精度高,需要导线多。
(2)三线制就是引出三线,Pt100B铂电阻接线时电流回路的参端和电压测量回路的参考为一条线(即检测设备的I-
端子和V-端子短接)。
精度稍好。
(3)两线制就使引出两线,Pt100B铂电阻接线时接线时电流回路和电压测量回路合二为一(即检测设备的I-端子和
V-端子短接、I+端子和V+短接短接)。
测量精度差。
六PT100温度传感器的抗干扰问题处理
1.1改变信号接地方式
热电阻测温信号通常采用三线制接线方式,使用KYVRP4×1.5屏蔽电缆引至DCS现场站PC室CCF中继柜内,电缆屏蔽,在中继柜内接地。
解决的方法是将热电阻Pt100的B、b在中继柜端子处与电缆屏蔽接在一起,将干扰信号引入大地,以此方法消除干扰信号,即可使计算机温度显示恢复正常。
1.2改变信号传送方式
可在现场或现场站PC室内通过加装Pt100热电阻温度变换器,将Pt100电阻信号转换为标准DC4~20mA信号,并相应改变计算机输入信号通道,这种方法也可消除信号传输过程中产生的干扰,使计算机显示的温度恢复正常,因为DC4~20mA信号的抗干扰能力非常强,温度变换器安装位置可依现场实际情况决定,但最好选择室内安装,这种方法的缺点是增加了设备投资,同时需要提供变换器电源
七恒流源设计
八AD转换部分程序
九PT100温度传感器的探头设计
PT100温度探头-DOCOROMTR02522-表面安装型热电阻
测温范围-200…800℃
采用不同材质的保护安装
用于管道或平面温度测量
安装简单而快速
低热量散失
用来测量管道系统、平面或圆面的温度
非直接测量方式,不会影响介质的流动,压力和化学因素不会影响传感器寿命
可使用导热膏来加强热传导
十。
PT100温度传感器的数据处理及参数计算
十一。
PT100温度传感器的应用
温度传感器PT100的应用
应用范围:
医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备,应用范围非常之广泛。
使用温度传感器为PT100,这是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200℃至650℃的范围.本电路选择其工作在-19℃至500℃范围.
整个电路分为两部分,一是传感器前置放大电路,一是单片机A/D转换和显示,控制,软件非线性校正等部分.
前置放大部分原理图如下:
工作原理:
传感器的接入非常简单,从系统的5V供电端仅仅通过一支3K92的电阻就连接到PT100了.这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是.由于有了单片机的软件校正作为后盾,因此就简化了传感器的接入方式.
按照PT100的参数,其在0℃到500℃的区间内,电阻值为100至280.9Ω,我们按照其串联分压的揭发,使用公式:
Vcc/(PT100+3K92)*PT100=输出电压(mV),可以计算出其在整百℃时的输出电压,见下面的表格:
温度℃
PT100阻值Ω
传感两端电压mV
0
100.00
124.38
1
100.39
124.8
50
119.40
147.79
100
138.51
170.64
150
157.33
192.93
200
175.86
214.68
250
194.10
235.90
300
212.05
256.59
350
229.72
276.79
400
247.09
296.48
450
264.18
315.69
500
280.98
334.42
单片机的10位A/D在满度量程下,最大显示为1023字,为了得到PT100传感器输出电压在显示500字时的单片机A/D转换输入电压,必须对传感器的原始输出电压进行放大,计算公式为:
(500/1023*Vcc)/传感器两端电压(mV/℃),(Vcc=系统供电=5V),可以得到放大倍数为10.466。
关于放大倍数的说明:
有热心的用户朋友询问,按照(500/1023*Vcc)/传感器两端电压不能得到10.466的结果,而是得到11.635的结果。
实际上,500个字的理想值是无法靠电路本身自然得到的,自然得到的数字仅仅为450个字,因此,公式中的500℃在实际计算时的取值是450而不是500。
450/1023*5/(0.33442-0.12438)≈10.47。
其实,计算的方法有多种,关键是要按照传感器的mV/℃为依据而不是以被测温度值为依据,我们看看加上非线性校正系数:
10.47*1.1117=11.639499,这样,热心朋友的计算结果就吻合了。
运算放大器分为两级,后级固定放大5倍(原理图中12K/3K+1=5),前级放大为:
10.465922/5=2.0931844倍,为了防止调整时的元器件及其他偏差,使用了一只精密微调电位器对放大倍数进行细调,可以保证比较准确地调整到所需要的放大倍数(原理图中10K/(8K2+Rw)+1)。
通常,在温度测量电路里,都会有一个“调零”和另一个“调满度”电位器,以方便调整传感器在“零度”及“满度”时的正确显示问题。
本电路没有采用两只电位器是因为只要“零度”调整准确了,就可以保证整个工作范围的正确显示,当然也包括满度时的最大显示问题了。
那么,电路中对“零度”是如何处理的呢?
它是由单片机程序中把这个“零度”数字直接减掉就是了,在整个工作范围内,程序都会自动减掉“零度”值之后再作为有效数值来使用。
当供电电压发生偏差后,是否会引起传感器输入的变化进而影响准确度呢?
供电变化后,必然引起流过传感器的电流发生变化,也就会使传感器输出电压发生变化。
可是,以此同时,单片机的供电也是在同步地接受到这种供电变化的,当单片机的A/D基准使用供电电压时,就意味着测量基准也在同步同方向发生变化,因此,只要参数选择得当,系统供电的变化在20%之内时,就不会影响测量的准确度。
(通常单片机系统并不允许供电有过大的变化,这不仅仅是在温度测量电路中的要求。
)
后级单片机电路的原理图如下:
从传感器前置放大电路输出的信号,就送入到HT46R23的A/D转换输入端口(PB0/AN0),由单片机去进行各种必需的处理。
首先是进行软件非线性校正,把输入信号按照不同的温度值划分为不同段,再根据其所在的段分别乘以不同的补偿系数,令其与理论值尽量接近,经过非线性校正的数字,才被送去进行显示,比较用户设定的控制值等等。
各段的非线性补偿系数见下列表格(仅仅列出主要段的数据,非全部表格内容):
传感电压
mV/℃
内部AD读数
校正系数
124.3781
供电电阻=3K92±1%,供电电压=5.000V±1%
124.8450
0.4670
1.00
1.0000
147.7942
0.4683
50.14
0.9972
170.6414
0.4626
99.06
1.0095
192.9326
0.4570
146.80
1.0218
214.6802
0.4515
193.36
1.0343
235.8961
0.4461
238.79
1.0469
256.5918
0.4407
283.11
1.0597
276.7898
0.4355
326.36
1.0724
296.4779
0.4302
368.52
1.0854
315.6891
0.4251
409.65
1.0985
334.4220
0.4201
449.76
1.1117
本电路还有一个特点,就是用户可以在工作范围内,任意设定3个超限控制值。
当测量显示值大于设定值的时候,对应的控制端口就会输出高电平。
利用这个高电平信号,再外接一级三极管驱动继电器的电路,就可以实现自动控制。
在某一个控制端口输出高电平的同时,与之串联的LED发光管会同时点亮,以便提示使用者是哪一个设定值在输出控制信号。
电路中的24C02是电存储器,可以把使用者设定的控制值可靠地保存起来,即使掉电也不会丢失数据。
电路图中还有3只按键,它们分别是“设定”、“加置数”和“减置数”操作按键,用于使用者进行超限值的设置。
使用方法如下:
按动一下设定键,屏幕显示“1--”,表示现在进入第一个超限值的设置,三秒后屏幕自动跳转到显示“***”并闪烁(***代表原来电存储器里储存的超限数值),然后,按压加数键(或减数键),屏幕上的最低位的数字就会加一(或减一),如果按住按键三秒以上不放开,屏幕上的前两位数字就会快速进行加数(或减数)。
把屏幕上的数字调整到所需要的数字后,这个超限值就设置完成了。
接着,再按动一下设定键屏幕显示“2--”,表示现在进入第二个超限值的设置,三秒后屏幕自动跳转到显示“***”并闪烁....,接下来的操作与第一个超限值的操作完全一样。
第三个超限值的设置与上面两个完全一样。
当设置好3个超限值之后,还必须最后按动一下设定键,退出设定状态而返回正常工作状态。
如果忘记了这最后一次按动退出的操作,程序就会等待10秒之后,自动返回正常工作状态。
简易调试方法:
可以使用100Ω的电阻来模拟PT100在0℃的阻值,接入传感器输入端,看看显示是否=000,如果不对,可以调整微调电位器来达到;然后用一只281Ω的电阻来模拟PT100在500℃时传感器的电阻值,显示应该在500字±1字;最后,使用一只194Ω的电阻来代替250℃传感器电阻输入,应该显示250±1字.如果经过上面调试没有问题,就可以接入真正的PT100传感器投入使用了.(真正的传感器也有误差,可以微调一下前置放大的电位器来校正它。
)
在实际工作中,要求电路的供电电压为5V±5%.如果测量显示值大于某一个超限值,对应的控制端口就会立即输出高电平。
如果传感器发生开路故障,显示就会出现"HHH",如果传感器及其引线发生了短路,显示就会立即出现"LLL".为了防止传感器出现开路或者短路之后可能会引起的不良后果,这时候,3个控制输出端口都会优先关闭。
十二结论
十三。
参考文献
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- PT100 温度传感器 课程设计