温度变送器调试与检测电子教材.docx
《温度变送器调试与检测电子教材.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《温度变送器调试与检测电子教材.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
温度变送器调试与检测电子教材
温度变送器调试与检测
一．项目描述
在工业现场，需要对温度、压力、速度、角度、湿度、流量等各类非电物理量进行测量，测量这些非电物理量时，首先需要转换成模拟量电信号，然后通过导线传输到几百米外的控制中心或显示设备上。
这种将物理量转换成标准信号4～20mA或（1～5V）的仪表称为变送器。
工业上主要有电压、电流两种变送器，但最广泛采用的是用4～20mA电流来传输模拟量。
本项目可以将工业现场采集的温度转换成标准信号4～20mA和（1～5V）,同时可以把采集的温度值在采集点用LCD显示。
1．项目的功能和性能
1）具有过流、过压保护功能。
2）输出一路标准信号4～20mA
3）输出一路标准信号1～5V
4）能把采集的温度使用LCD显示出来
5）温度测量范围0C～＋100C。
2.温度变送器的主要技术参数
1）额定工作电压：
＋24V±20%。
2）最小工作电压：
>12V。
3）极限工作电压：
≤30V。
4）额定输出过流限制保护：
内部限制25mA＋10%。
5）两线端口接错保护：
电源反接保护。
6）工作温度：
－30C～＋80C。
7）测量误差：
1C。
二．系统框图
项目的系统框图如图1所示。
图1系统框图
各部分的原理及功能如下：
①电源处理电路。
本部分电路把24V电压转换为一路基准电压源和一路工作电源。
②传感器。
制作温度变送器需要用到传感器，传感器完成温度的采集，该项目中采用Pt100热电阻来采集温度信号。
③调理电路（采集、放大和校正电路）。
信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。
本电路包括采集、放大和校正电路。
④V/I变换电路。
V/I变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路，本部分电路把电压信号转换成4-20mA电流信号。
⑤1-5V转换电路。
把前级电路的信号放大，输出1-5V信号。
⑥STC单片机和显示电路。
本部分电路将采样的模拟电压转换为温度值，并用LCD显示温度值。
三．电路工作原理
3.1电源处理电路
图2电源电路
电源处理电路如图2所示，J1是电源输入端子，5.08mm间距接插件；D1防反接二极管，反向耐压达到1000V；C2,C3,储能滤波电容，C5,C6,C7高频滤波电容；IC1是三端可调稳压电源芯片LM317，输出电压大小由R3,R7比例决定。
三端芯片输出电压：
Vout=1.25*（1+R7/R3），即：
Vcc=1.25*（1+R7/R3）
3.2基准电压源
图3基准电源电路
基准电源电路如图3所示R18,R24分流电阻，保障TL431正常工作电流（10mA-20mA）；C13,C15滤波电容；IC2是基准电压源芯片TL431，具有温漂小，精度高等特点；R25,R27比例电阻，调节稳压电源输出。
VZ=2.495*（1+R25/R27）。
TL431简介
德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。
它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图3）。
该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。
3.3串口电路
图4串口电路
串口电路如图4所示，U3是串口电平转换芯片MAX202E，完成串口电平转换电路，用于程序下载。
3.4采集、放大电路
PT100温度传感器分度表如表1所示：
表1PT100分度表
温度
0
25
50
75
100
电阻
100
109.735
119.373
128.987
138.506
图5采集、放大电路
采集、放大电路如图5所示，本电路包括了桥式差分输入和标准的三运放仪表放大器电路。
桥式差分电路输入可以抑制由温度漂移等环境参数带来的共模信号。
U1A、U1B、U1D组成三运放仪表放大器，U1C构成跟随电路。
其输出：
Vout=（Vin+-Vin-）*（1+R11/R12）*R16/R15。
电路原理分析及电压计算：
接入传感器前，调节P1将Vin-电压调到2v。
当温度为0℃时，传感器输出电阻R=100欧姆，由Vin-=2V且R9=R21=10K，可得R9电位为4V；流过R8的电流为：
I=V/（R+R8+R20）;由于，传感器电阻R比较小，故忽略不计。
I=4v/（R8+R20）=0.2mA;当温度为0℃时：
传感器输出电阻为R=100欧姆可得Vin+=I*（R20+R）=2.02v;当温度为100℃时：
传感器输出电阻为R=140欧姆，Vin+=I*（R20+R）=2.028v;
设U1A输出电压为U1，U1D输出电压为U14，U1B输出电压为U7，U1C输出电压为U8，
则：
V1=（Vin++Vin-）/2+（Vin+-Vin-）/2*（1+2R11/R12）;
V14=（Vin++Vin-）/2-（Vin+-Vin-）/2*（1+2R11/R12）;
V7=（V1-V14）*R16/R15;
V8=V7;
当温度为0℃时：
V1=2.06v；
V14=1.96v;
V8=V7=1V;
当温度为100℃时：
V1=2.08v；
V14=1.94v;
V8=V7=1.4V;
注意事项：
a、调试的时候，建议R1先直接用导线短接到地，R2先不焊接；
b、调节电位器P1，使R21两端电压在2v左右；
c、输入信号不宜太大，整个调试过程，保证1脚输出在1v以上，14脚输出在3v以下。
7脚输出在0.5v到3.3v之间。
都是基于运放的工作范围的原因。
3.5校正电路
图6校准电路
信号校准电路如图6所示，本电路由U2B构成的减法电路和U2A构成的差分放大电路组成；设U2B7脚输出的电压为V7，1脚输出的电压为V1，则：
V7=（Vsingle_ad—V0）*R29/R33;（V0为P2的点位）。
V1=V7*R30/R32;
调试的时，将电位器调节至0.9v；当温度为0℃时：
V7=0.5v；
V1=0.5V;
当温度为100℃时：
V1=2.5v；
V7=2.5V
3.6V/I变换电路（4—20mA输出）
图7V/I转换电路
V/I转换电路如图7所示，当输入电压为Vin时，5脚电压为Vin，由运放特性，6脚电压也为Vin，R61两端电压也等于Vin。
由于R51阻值与R61相同，所以，R51两端电压也等于Vin，再由运输放大器特性，2脚与3脚电位相同，所以R48两端电压R51相同，等于Vin。
（R48为2W的大功率电阻）
电流输出：
Iout=Vin/R48.通过控制信号的输入，将电流输出大小控制在4-20mA范围之内。
当温度为0℃时：
Iout=Vin/R48=0.5/125=4ma;
当温度为100℃时：
Iout=Vin/R48=2.5/125=20ma;
3.71-5V电压输出电路
图81-5V电压输出电路
1-5V电压输出电路如图8所示本电路中有跟随电路和比例放大电路组成：
运放7脚输出与正端输入一致；1脚输出为：
V=Vin*R38/R40;通过控制信号的输入，将电压输出大小控制在1-5v范围之内。
注意：
在调试的时候，输出端不能短路，也不能断路，推荐接10k左右电阻。
设U4B的输出电压为V7，U4A的输出电压为V1，则：
当温度为0℃时：
V7=0.5v；
V1=1V;
当温度为100℃时：
V1=2.5v；
V7=5V
四．PCB图
项目PCB图如图9所示。
图9PCB图
五．元件清单
表一变送器元件清单
序号
名称
封装
数量
编号
描述
1
22pF
RAD-0.2
4
C14,C17,C30,C32
无极性电容
2
1nF
RAD-0.2
2
C9,C16
3
0.01u
RAD-0.2
9
C1,C4,C7,C8,C10,C12,C18,C19,C26
4
0.1uF
RAD-0.2
13
C5,C6,C11,C15,C20,C21,C22,C23,C24,C25,C27,C28,C31
51
10uF
CAPPR2-5x6.8
2
C13,C29
极性电解电容
6
470UF
CAPPR7.5-16x35
2
C2,C3
7
1.5K
AXIAL-0.5
1
R7
电阻
8
100K
AXIAL-0.5
2
R4,R16
9
10K
AXIAL-0.5
28
R2,R6,R8,R9,R10,R12,R15,R20,R21,R25,R27,R29,R32,R33,R34,R35,R37,R39,R40,R42,R43,R50,R52,R54,R55,R56,R58,R60
10
51
AXIAL-0.5
1
R41
11
471
AXIAL-0.5
1
R3
12
680
AXIAL-0.5
8
R45,R46,R49,R53,R57,R59,R62,R63
13
1k
AXIAL-0.5
4
R1,R22,R51,R61
14
2K
AXIAL-0.5
5
R18,R19,R24,R26,R28
15
5.1K
AXIAL-0.5
1
R23
16
20K
AXIAL-0.5
1
R47
17
25K
AXIAL-0.5
2
R30,R36
18
40K
AXIAL-0.5
2
R38,R44
19
50K
AXIAL-0.5
2
R11,R14
20
62.5
AXIAL-1.0
1
R48
21
10K
VR5
2
R5,R31
电位器
22
2N5551
TO-92
3
Q1,Q2,Q4
NPN三极管
23
B772
TO-126
1
Q3
PNP三极管
24
DDB9
DSUB1.385-2H9
1
J1
串口座子DB9
25
1N4007
DIO10.46-5.3x2.8
1
D1
整流二极管
26
1N4148
DIO7.1-3.9x1.9
2
D2,D4
检波二极管
27
DZener
DIODE-0.7
1
D3
稳压二极管3.3v
28
FT1602C
FT1602CF
1
LCD1
液晶显示模块
29
Header2
CON2
4
P1,P2,P5,P6
2芯插座间距5.08mm
30
Header2X2
HDR2X2
1
P4
双排插针
31
Header3
CON3
1
P3
3芯插座间距5.08mm
32
LED0
LED-0
8
DS1,DS2,DS3,DS4,DS5,DS6,DS7,DS8
LED指示灯
33
LM358
pDIP8
3
U2,U4,U6
双通道运算放大器
34
LM317LH
TO-220
1
IC1
三端稳压器
35
LMV324
pDIP14
1
U1
四通道运算放大器
36
MAX232E
pDIP16
1
U3
串口电平转换芯片
37
STC12C5A60S2
pDIP40
1
U5
单片机
38
SW-SPST
SWITCH
4
S1,S2,S3,S4
按键
39
TL431ACLP
TO-92
1
IC2
基准电压源
40
16MHZ
XTAL
1
X1
晶振
41
温度传感器PT100
1
六．单板调试
1.调试前准备
1.1调试人员的培训
技术部门组织调试、测试人员熟悉整机工作原理、技术条件及有关指标，仔细阅读调试工艺卡，使其明确调试内容、方法、步骤、设备使用及注意事项。
1.2技术文件的准备
产品调试之前，调试人员应准备好产品技术条件、技术说明书、电原理图、检修图和调试工艺卡等技术文件。
1.3仪器、仪表的准备
按照技术条件的规定，准备好测试所需要的各类仪器设备。
要求所用仪器、仪表应是符合计量标准和调试要求，并在有效期之内，符合技术文件的规定，满足测试精度范围的需要，并按要求放置好。
1.4被调物件的准备
准备好需要调试与检测的电路板。
1.5场地的准备
调试场地应整齐、清洁、按要求布置，要避免高频、高压、强电磁场的干扰。
如调试高频电路应在屏蔽间进行。
1.6个人准备。
调试人员应按安全操作规程做好上岗准备，调试用图纸、文件、工具、备件等都应放在适当的位置上。
2．调试安全操作规程
2.1测试环境的安全措施：
无裸露的带电导体（如电源线、插头、电源开关等）。
2.2测试仪器的安全措施：
①仪器及附件的金属外壳应接地良好。
②仪器地线必须与机壳相连。
2.3操作安全措施：
①在接通被测电路的电源前，应检查其电路及连线有无短路等不正常现象；接通电源后，应观察电路板有无冒烟、打火、异常发热等情况。
如有异常现象，立即切断电源，查找故障原因。
②禁止调试人员带电操作，当补焊、焊接元件时，一定断开电源。
③如有高压测试调整，调试前应做好绝缘安全准备，如穿戴好绝缘工作鞋、绝缘工作手套等。
④使用和调试MOS电路时必须佩戴防静电腕套。
⑤强电调试时至少应有两人在场，以防不测。
其他无关人员不得进入工作场，任何人不得随意拨动总闸、仪器设备的电源开关及各种旋钮，以免造成事故。
⑥调试工作结束或离开工作场所前，应关掉调试用仪器设备等电器的电源。
3.板调工艺流程
图10板调工艺流程图
4．调试
调试仪器和工具：
数字万用表（精度为3位半），双踪示波器，信号源（30MHz以上），调试台，放大镜，螺丝刀，镊子，电烙铁等。
4.1通电前检查
4.1.1目测：
焊装好的电路板主板应清洁、无锡渣，无明显的错焊、漏焊、虚焊和短路。
比如：
电解电容、二极管是否焊反。
参数是否按清单提供的标号位置焊接，芯片方向是否正确，保险管是否装入等。
4.1.2电路板电阻测试指标
表2电路板电阻测试指标值
序号
名称
测试点1
正向电阻指标【kΩ】
测试点2
备注
1
VCC
IC1的2脚
渐升至＞0.5
GND：
J1的1脚
2
VZ（基准源）
IC2的3脚
1.2～2.7
3
+24V
IC1的3脚
1.2～2.7
4
电压输出端
J5的1脚
＞10
J5的2脚
5
电流输出端
J6的1脚
＞10
J6的2脚
电阻测试方法
用数字万用表的200kΩ档测试表1和表2中测试点1对测试点2间的电阻值。
4.2电源调试与检测
设备：
万用表或示波器。
表3 电源电路电压指标
序号
名称
测试点1
直流电压指标【V】
测试点2
纹波（mV）
备注
1
VCC
IC1的2脚
+4.9~+5.2
GND：
J1的1脚
≤100mV
2
+5V
IC2的3脚
+4.95~+5.05
GND：
J1的1脚
≤100mV
3
+24V
IC1的3脚
+23.8~+24.2
GND：
J1的1脚
≤100mV
测试方法：
当测试1、2项将万用表置于DC20V档，测试上表中的直流电压，测试结果应满足指标要求。
测试时，万用表的黑表笔接上表中的“测试点2”、红表笔接上表中的“测试点1”；当测试第3项将万用表置于DC50V档，测试上表中的直流电压，测试结果应满足指标要求。
测试时，万用表的黑表笔接上表中的“测试点2”、红表笔接上表中的“测试点1”。
4.3空载调试与检测（不接传感器，接固定电阻）
4.3.1放大电路调试
设备：
万用表和示波器。
调试时候，R1先直接用导线短接到地，R2不焊接；将图5中的J2两端短路，调节P1将Vin+和Vin-电压调2V；在输入端接入100欧电阻，此时V1=2.06V±0.02V；V14=1.96V±0.02V;V8=V7=1V±0.05V;（设U1A输出电压为U1，U1D输出电压为U14，U1B输出电压为U7，U1C输出电压为U8）。
否则检查放大电路，检查方法见故障的查找与排除。
4.3.2校正电路调试
设备：
万用表和示波器。
调试时，将电位器调节至0.9V，在输入端接入100欧电阻，此时，V7=0.5±0.05Vv；V1=0.5V±0.05V;（设U2B7脚输出的电压为V7，1脚输出的电压为V1），否则检查校正电路，检查方法见故障的查找与排除。
4.3.3V/I电路调试
设备：
万用表、示波器和电流表。
当输入端接入100欧电阻时，J6的1脚对地电流为4mA±0.1mA，当输入端接入140欧电阻时，J6的1脚对地电流为24mA±0.5mA，否则检查V/I转换电路，检查方法见故障的查找与排除。
4.3.41-5V信号电路调试
设备：
万用表和示波器。
当输入端接入100欧电阻时，J5的1脚对地电压为1V±0.05V，当输入端接入140欧电阻时，J5的1脚对地电压为5V±0.25V，否则检查V/I转换电路，检查方法见故障的查找与排除。
4.4带载调试与检测（接入传感器）
4.4.1放大电路调试
设备：
万用表或示波器。
接入PT100温度传感器，当温度为25°C时，V8=V7=1.1V±0.05V;当温度为50°C时，V8=V7=1.3V±0.05V;（设U1C输出电压为V8）。
否则检查放大电路，检查方法见故障的查找与排除。
4.4.2校正电路调试
设备：
万用表或示波器。
接入温度传感器，当传感器的温度为25°C时，V7=V1=1.0V±0.05V;当温度为100℃时：
V7=V1=2.5V±0.1V;（设U2B7脚输出的电压为V7，1脚输出的电压为V1）否则检查校正电路，检查方法见故障的查找与排除。
4.4.3V/I电路调试
设备：
万用表或示波器。
接入温度传感器，当温度为0°C时，J6的1脚对地电流为4mA，当传感器的温度为100°C时，J6的1脚对地电流为20mA，否则检查V/I转换电路，检查方法见故障的查找与排除。
4.4.41-5V信号电路调试
设备：
万用表或示波器。
接入温度传感器，当温度为0°C时，J5的1脚对地电压为1V，当传感器的温度为100°C时，J5的1脚对地电压为5V，否则检查1-5V信号电路，检查方法见故障的查找与排除。
4.5软件调试
4.5.1软件下载
设备：
计算机和专用软件。
使用计算机把，已经调试好的程序下载到单片机。
4.5.2软件调试
设备：
计算机和专用软件。
接入温度传感器，当传感器的温度为0°C时，LCD应显示0°C，当传感器的温度为40°C时，LCD应显示40°C，当传感器的温度为100°C时，LCD应显示100°C，否则修正程序参数。
4.5.5固化程序
设备：
计算机和专用软件。
把参数修正的程序下载到单片机。
七．整机装配
7.1．装配流程图
图11整机装配流程图
7.1．材料准备
装配前准备好下列部件：
调试成功的电路板、机箱、接插件等材料。
7.2．安装控制板
用螺丝钉把电路板固定到机箱的底部。
7.3．装插头
用导线把控制板上的电源线接到面板上已固定好的插头上，同样接传感器的引出线。
7.4．装表盖
把变送器的外壳装好。
7.5．材料准备
在接头处贴上标签，表明接头的名称。
八．整机调试与检测
变送器整机装配完成后，测试整机的功能、性能和技术参数。
7.1输出电流测试
设备：
万用表、示波器和测温仪。
接入温度传感器时，当传感器的温度为0°C时，输出电流应为4mA，当传感器的温度为50°C时，输出电流应为12mA，当传感器的温度为100°C时，输出电流应为20mA，否则检查电路板。
7.2输出电压测试
设备：
万用表、示波器和测温仪。
接入温度传感器时，当传感器的温度为0°C时，输出电压应为1V，当传感器的温度为50°C时，输出电压应为3V，当传感器的温度为100°C时，输出电压应为5V，否则检查电路板。
7.3LCD显示测试
设备：
测温仪和目测。
接入温度传感器时，当传感器的温度为0°C时，LCD应显示0°C（误差1°C），当传感器的温度为50°C时，LCD应显示50°C（误差1°C），当传感器的温度为100°C时，LCD应显示100°C（误差1°C），否则检查电路板。
九．评价和考核
在项目实施工程中，制定调试方案和计划（20%），实施（30%），检查与产品上交（谈话方式）（20%），职业素养（30%）四个方面考核学生在项目中的具体情况。
考核标准见表4。
表4评价方式和标准
教学单元编号
考核点及占项目分值比
建议考核方式
评价标准
优
良
及格
1
1．制定调试方案和计划（20%）
教师评价+小组互评
调试和检测方案思路清晰、计划完善、思考问题周到
调试和检测方案思路清晰、计划正确
调试和检测方案思路正确、计划不太完善
2．实施（30%）
教师评价+自我评价
正确操作相应仪器、调试与检测方法正确、能正确分析与处理调试中出现的故障现象、调试与检测记录完善。
正确操作相应仪器、调试与检测方法基本正确、调试与检测记录完善。
无重大操作失误，调试与检测记录正确。
3．检查与产品上交（谈话方式）（20%）
教师评价+小组互评
项目检查过程正确、产品技术参数满足要求，流畅表达产品使用说明
项目检查过程基本正确、产品技术参数满足要求。
项目检查过程基本五重大失误、产品技术参数基本满足要求。
4．职业素养（30%）
见表5
表5职业素养考核方式与考核标准
教学单元公共考核点
建议考核方式
评价标准
优
良
及格
1．工作与职业道德（30%）
教师评价+自评+互评
安全、文明工作，具有良好的职业道德
安全文明工作，职业道德较好
没出现违纪违规现象
2．学习态度（30%）
教师评价
学习积极性高，虚心好学
学习积极性较高
没有厌学现象
3．团队合作精神（20%）
互评
具有良好的团队合作精神，热心帮助小组其他成员
具有较好的团队合作精神，能帮助小组其他成员
能配合小组完成项目任务
4．交流及表达能力（10%）
互评+教师评价
能用专业语言正确流利地展示项目成果、能正确总结在项目中的表现
能用专业语言正确流利地展示项目成果
能用专业语言基本正确地阐述项目，无重大失误
5．组织协调能力（10%）
互评+教师评价
能根据工作任务，对资源进行合理分配，同时正确控制、激励和
升级会员 