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测控技术与仪器专业
齐鲁工业大学课程设计专用纸成绩
课程名称传感器课程设计指导教师孙凯
院(系)电气学院专业班级测控13-2
学生姓名吴海旺学号201302051056设计日期2016.3.4
课程设计题目热电偶温度变送器课程设计
一、 主要内容
设计一个带冷端补偿的温度变送器。
其中我们用K型热电偶作为感温元件,用100Gu作为冷端的自动补偿电路的元件,使冷端工作在一个易于计算的环境下,用XTR101把传感器的电压信号放大并自动地变换成标准电流信号。
并通过对输出电压的测量实现对温度的测量。
二、基本要求
(1)设计测量温度范围-100~500°C的热电偶传感器。
(2)选用合适的热电偶材料,设计测温电路,冷端补偿电路,解决非线性化等问题。
(3)有电路图(protel绘制),选型与有关计算,精度分析等。
(4)采用实验室现成的热电偶进行调试。
(5)完整的实验报告。
三、主要参考资料:
赵广林. protel99电路设计与制版.北京:
电子工业出版社,2005
程德福,王君.传感器原理及应用.北京:
机械工业出版社,2007
齐鲁工业大学课程设计专用纸(附页)
目录
一、设计目的…………………………………………………………3
二、课程设计的任务要求……………………………………………3
三、课程设计的基本原理……………………………………………3
1、热电偶测温原理……………………………………………3
2、变送器原理框图……………………………………………4
四、课程设计的主要内容……………………………………………4
1、热电偶的选择………………………………………………5
2、设计构架……………………………………………………5
3、具体电路的设计……………………………………………7
5、课程设计的心得与体会…………………………………………12
6、参考文献…………………………………………………………13
7、附图
热电偶测温电路………………………………………………14
齐鲁工业大学课程设计专用纸(附页)
热电偶温度变送器设计
一、 课程设计的目的
1、掌握热电偶的结构、工作原理及正确选择。
2、了解变普通送器的结构及简单应用。
3、通过设计增加对所学知识的灵活掌握和综合应用能力。
2、课程设计的任务要求
任务要求:
(1)设计测量温度范围-100~500℃的热电偶传感器
(2)选用合适的热电偶材料,设计测温电路,冷端补偿电路,解决非线性化等问题
(3)有电路图(PROTEL绘制),选型与有关计算,精度分析等
(4) 采用实验室现成的热电偶进行调试
三、课程设计的基本原理
1、热电偶测温原理:
下图为热电偶测温原理图,热电偶的热端与被测物体接线,温度为t。
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电偶是一种感温元件,是一种仪表。
它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势。
热电偶的冷端放在冰水混合液中,整个回路的电动势由右边的毫伏表读出,以此读数查表即可得热端被测物体的温度。
但测温方法有很多缺点,如冷锻必须为0℃,电路电动势为毫伏级,不易测量等,故设计500℃。
热电偶温度变送器。
该变送器将对冷端进行补偿,并将电动势值放大,其测温范围为-100℃~500℃
2、变送器原理框图
四、课程设计的主要内容
1、热电偶的选择
热电偶是工业上广泛使用的温度传感器,它最大的优势就在于温度测量范围极宽,理论上从-270℃的极低温度到2800℃的超高温度都可以齐鲁工业大学课程设计专用纸(附页)
测量,并且实际应用中在600℃-2000℃的温度范围内可以进行最精确的温度测量。
在化工、石油、电力、冶炼等行业的自动化控制系统中热电偶发挥着对温度的监控作用。
热电偶主要有以下几种标准化的型号:
⑴(S型热电偶)铂铑10-铂热电偶
⑵(R型热电偶)铂铑13-铂热电偶
⑶(B型热电偶)铂铑30-铂铑6热电偶
⑷(K型热电偶)镍铬-镍硅热电偶
⑸(N型热电偶)镍铬硅-镍硅热电偶
⑹(E型热电偶)镍铬-铜镍热电偶
⑺(J型热电偶)铁-铜镍热电偶
⑻(T型热电偶)铜-铜镍热电偶
本次课程设计选用(K型热电偶)镍铬-镍硅热电偶,此热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶,其用量为其他热电偶的总和。
正极(KP)的名义化学成分为:
Ni:
Cr=90:
10,负极(KN)的名义化学成分为:
Ni:
Si=97:
3,其使用温度为-200~1300℃。
其主要特点:
(1)K型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜等优点,能用于氧化性惰性气氛中。
广泛为用户所采用。
(2)K型热电偶不能直接在高温下用于硫,还原性或还原,氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中。
2、设计构架
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(1)设计要求
整套系统要求在-100~500℃范围对应输出4mA~20mA的电流型温度变送器。
在实际的工业化需求中,往往需要设计为标准信号的变送器,以便与
仪表和后续接口电路兼容。
在输出为模拟信号时,有电压型和电流型两种变送器。
电压型变送器的输出为0~5v,虽然其在信号处理方面具有优势,但抗干扰能力较差,在远距离传输时信号衰减大,而电流型变送器却在这方面独具优势。
因此在工业实践中得以广泛应用。
通常,电流型变送器有输出0~20mA和4~20mA两种。
对于输出0~20mA的变送器,虽然电路调试及数据处理都比较简单。
但对于输出4~20mA的变送器,能够在传感器线路不通时,通过是否能检测到正常范围内的电流,判断电路是否出现故障,因此使用更为普遍。
(2)电路功能
【1】温度补偿
当热电偶测温时,其冷端温度受环境变换影响较大,从而会影响最后测量的电信号。
为了能得到稳定的电信号,以便算出真实的待测温度,需要对热电偶的冷端进行温度偿。
(见图3)
【2】信号的放大
热电偶测温的原理是基于热电转换效应。
虽然它集放热、转换为一体,能直接实现温度到电压的输出,但输出幅度很微小。
如K型热电偶的灵敏度为0.04mv/℃。
因此,对其信号必须进行放大。
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图3补偿电路
【3】主要器件
A、热电偶作为感温元件,采集温度信号;
B、铜电阻作为补偿电阻,补偿热电偶的冷端温度;
C、XTR101为小信号处理专用芯片,将输入的微弱信号放大后便于远端传输;
D、RL负载电阻,便于电信号的测量。
3、具体电路的设计
(1)XTR101信号调理芯片
为了得到稳定的4mA~20mA的输出电流,我们选用常用的信号放大芯片XTR101。
XTR101通用型变送器单片模块电路,可把传感器的电压信号自动地齐鲁工业大学课程设计专用纸(附页)
变换成标准电流信号。
内含一个高精度的仪表放大器、一个电压/电流变换器和二个相同的1mA精密恒流源基准。
该电路失调电压低,最大为30uV,漂移小,最大为0.75uV/℃,外接元件可适于远程信号传输变换和热电偶、电阻温度计、热敏电阻以及应变计电桥登多种工作状态的变送器电路。
实际应用时,应在输出端外加一个功率管,使工作时的热源外移,以保证其工作稳定性。
传感器的电压信号由3、4脚输入,5、6脚外接电阻Rs可以调节输出满幅度,1、2、14脚外接电位器组成出示调零电路,10、11脚分别输出两个1mA恒流,可以用于传感器供电,8脚接电源正端(也且是环流注入端),7脚通过负载电阻RL接电源负极(也是环流信号输出端),12、8、9可外接功率管。
XTR101两线制变送器的优点是抗干扰能力很强,长期运转导致的压降、电机噪音、继电器、电力拖动装置、电器开关、电流互感器和工作设备电源的频繁切换启动均无影响。
它的工作温度范围为-40℃至80℃。
XTR101芯片电路图如图4所示,R1=1kΩ,R2=52.6Ω,R3=R4=1.25kΩ,Rs为调增益的电阻
要点分析
【1】增益调节
Rs为增益调节电阻,调节Rs可使输入电压Ein在从最小值变到最大值时使输出电流Io从4mA变到20mA。
即△I=16mA的输出电流。
需要注意的是:
为使Io不超过20mA,当Rs=∞时,Ein不应超过1V,而当Rs减小时,Ein也应相应减小。
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图4XTR101信号调理芯片
【2】输入偏置
由于XTR101使用的是单电源,因此在正常工作时,信号输入端应加+5V左右的偏置电压。
该电压可利用2个内部参考电流源或其中之一通过一个电阻产生所需电压。
如图3中的R2。
由于2个输入端都存在直流偏压,这就相当于在放大器的输入端存在一个共模电压,XTR101的技术指标中已经包含了这部分误差。
【3】零点调整
XTR101可以把任何范围(小于1v)的电压信号变换为4~20mA的输出电流,它的任务就是在输入电压最小时使输出电流为4mA,即零点调整,齐鲁工业大学课程设计专用纸(附页)
也就是使零点能够上下偏移。
可利用图4中的电阻R3和1mA的内部参考电流源在R3上所产生的压降V3来作为偏移电压进行零点调整。
即调节R3,让其在V3=(V3)min时,使:
Ein=V4-(V3)min=0。
【4】温度补偿
当热电偶测温时,其冷端温度受环境变换影响较大,从而会影响最后测量的电信号。
为了能得到稳定的电信号,以便算出真实的待测温度,需要对热电偶的冷端进行温度补偿。
我们选用铜电阻作为补偿元件,是因为它在常温下具有很好的稳定性。
设热电势为E(t,t0),若冷端温度t0变化t1后,热电势就变为E(t,t1),即△E=E(t,t0)-E(t,t1),铜电阻就是用于对随温度变化的△E进行自动补偿。
将铜电阻和热电偶的冷端一同置于室内环境温度下,将热电偶放入冰水混合液中。
调节R3使输入电压为0mV,而在其后的各温度点进行测量时,不再调节R3,虽然环境温度会变化,对热电偶有影响,但铜电阻的阻值也会随环境温度的变化而变化,导致其两端的电压改变,这种变化的电压就是用于抵消热电偶受温度变化影响的电势,从而达到补偿目的。
我们选用分度号为100的铜电阻,即在0℃时的电阻为100Ω,在100℃时的电阻为142.80Ω,所以铜电阻的敏感系数为△R/△t=42.8Q/100℃,在温度为t时刻时,铜电阻的阻值Cut=100Ω+(42.8Ω/100℃)t。
各参数的选择计算
【1】增益调节电阻
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因为设计要求,选择温度范围:
-100℃~500℃。
当t=500℃时,Io=20 mA,RL选510Ω,所以URL=10.2V,这就需要调节Rs,即调节增益电阻。
当温度为0℃时,热电偶电压E为0 mV,灵敏度为:
0.053mV/℃。
当温度为-100℃时,Io=4mA,Ein=0mV;
当温度为500℃时,Io=20mA,Ein=31.8mV。
根据公式(1-1):
△Io=(40/Rs+0.016/Ω)△Ein
又因为△Iomax=20mA-4mA=16mA,△Emax=31.8mV-0mV=31.8mV
所以有16 mA=(40/Rs+0.016/Ω)31.8mV
得Rs=77Ω
【2】调零电阻和温度系数补偿电阻
将热电偶的热端置于500℃的温度环境中,设此时环境温度为20℃。
由于热电偶的温度系数为0.053mv/℃,若其冷端感应的温度由20℃变化至100℃,则热电偶两端的电压由3.2 mV变化至0mV,电压差为3.2mv。
这个差值应由Cut100和R1的并联电阻两端电压自动补偿。
当冷端温度为20℃时,Cut100=100Ω+(42.8Ω/100℃)*20℃=108..56Ω。
当冷端温度为100℃时,Cutl00=100Ω+(42.8Ω/100℃)*100℃=148.8Ω。
[148.8*R1/(148.8+R1)-108.56*R1/(108.56+R1)]*1mA=0.053mV/℃*(100-20)℃
可得:
R1=61.3Ω。
根据公式:
Io=(40/Rs+0.016/Ω)Ein+4mA,和Io的输出范围:
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4mA~
20mA当T=-100℃时,要使Io=4mA,就要调节R3,既调零电阻。
将热电热端置于0℃的温度环境中。
此时环境温度仍为20℃,即温差-20℃,热电式E=-20℃·0.053mV/℃=1.06mV, 3,4 间的信号输入Ein=0mV,Cu100(20℃)=100Ω+(48.8Ω/100℃)*20℃=109.6Ω
根据图3,可得:
V4=E(t,t0)+1mA·[Cu100(20℃)/(Cu100(20℃)+R1)]
V3=1mA·R3
在0℃测量点(零点):
V4=V3,
即:
1mA·[108.56-61.3/(108.56+61.3)]-1.06 mV=1mA*R3
可推出:
R3=97.84Ω
(3)调试
【1】调零。
将热电偶触头放入冰水混合液中,即0℃中。
接上电源后,边调节电位器R3,边测RL两端电压,直至RL两端电压约为2.04V,即输出电流Io为4mA。
【2】将热电偶放入沸水中,接上电源后,边调节电位器Rs,边测RL两端电压,直至RL两端电压约为10.2V。
即输出电流10为20mA。
【3】灵敏度
5、心得体会:
在今年的3月初,我们进行了传感器的课程设计,这是我第一次真正的独立设计一个东西,老师只是给出一个题目和大致的要求,其他的都是靠自己完成。
必须承认,这对于我的挑战还是非常大的。
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首先,要使用以前基本没用过的prtel99和protel这两种软件作图,下载下来的都不能安装,只能用以前学的CAD做图了。
这一环节几乎占了这次课程设计的一半时间。
好在上学期曾选修过这门课程,在画原理图是还顺风顺水,蛋到布线图是确实遇到了很大的麻烦,经过不懈的努力,最终我还是做出了布线图,这是我做出的第一幅布线图!
其次,就是对元器件的学习,热电偶还好,毕竟在课本上学过些皮毛,不至于从头学起。
但是,变送器就不同了,全靠自学,从结构到原理,
都得弄明白才行。
在这期间我发现我的自学能力太有限了,许多很简单的东西我自己怎么也看不明白,但是,总想做出点什么的心让我坚持了下来。
这次的课程设计让我学到了很多课本上没有的东西,扩展了自己的视野,增强了自己的动手能力,清醒的认识到自己的不足,培养了小心谨慎的作风,使自己对课题设计了解进一步加深。
总之,此次的课程设计使我收获颇丰,也是我上大学来难忘的一次经历。
六、参考文献
1、赵广林.protel99电路设计与制版.北京:
电子工业出版2005
2、程德福,王君.传感器原理及应用.北京:
机械工业出版2007
3、张宏建,蒙建波.自动检测技术与装置.北京:
化学工业出版社2004
4、沈任远,吴勇.常用电子元器件简明手册.北京:
机械工业出版社2000
5、王福瑞.集成电路器件大全.北京航天航空出版社,1999
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图5热电偶测温电路
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- 测控 技术 仪器 专业