热电偶测温系统

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。

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。
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
优点
非接触测量
红外 测温 缺点
不破坏被测温度场的均衡
环境对系统性能指标影响较大 价格高，不能测量内部温度
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，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
优点
测量精度高，测温范围广
热电偶 测温 缺点
构造简单，使用方便
长期使用中，容易受到腐蚀 需要进行冷端温度补偿
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。

R1 100.0197
R2 101.2706
R3 103.6168
103.8999
百度文库
105.0633
107.2925
107.7801
108.8561
110.9682
111.6603
112.6489
114.6438
115.5404
116.4416
118.3195
119.4206
120.2344
放大电路
C6 07 R6 05 2 2k U1 2 8 6 SENSOR3 5 AD6 20 AN (8)
4
VCC+1 2 V
1 0u F/2 5 V 1 SENSOR+ 2
7
W6 0 2 5 00 R6 09 1K C6 09 1 uF VO
VCC-1 2 V
R6 07 2 2k
C6 11
1 0u F/2 5 V
系统的总结构框图
信号放 大调理 电路 A/D转 换电路
PT100 温度传 感器
时钟电 路
AT89S52单 片机
LED数 码管显 示电路
按键控 制电路
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=2000Ω 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
（1） （2）
1 2 n R1 R 2 C1 C 2
（3）
滤波电路
令R1=R2=10K，由式2和式3可求得： C1=1.408uF (实际中取4.7uF) C2=0.707uF (实际中取1uF)
将参数代回式1，得到实际的转折频率：
fcp 7.5Hz
（4）
• • • •
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。
传感器的选型及工作原理
优点
测量精度高,性能稳定
热电阻 测温 缺点
最常用在中低温测量
需要电源来激励 不能够瞬时测量温度的变化
•
铂热电阻温度传感器零摄氏度标称中 阻值为100 Ω, 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。
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
温度测量的意义
•
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。
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。
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， 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。
温度测量系统的硬件设计框图
热电阻 信号调理 电路 AD转换 PT100
温度测量系统硬件电路
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。
•
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-100)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+αT) 其中α=0.00392, Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为华氏温度
信号调理电路设计
放大电路 信号调理 电路
滤波电路
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
测温系统方案 典型温度测量系统方案 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
热电阻测温
红外测温
热电偶测温
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 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
滤波电路
滤波系统的传递函数为
VO (s) n2 1 2 2 Vi (s) ( R1 R2 C1 C 2) s ( R1 R2) C 2 s 1 s 2 n s n2
由式1，可得式2和式3：
R1 R 2 2 n R1 R 2 C 2
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。