传感器课程设计基于labview的pt100温度测量系统Word格式.docx
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目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵,二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题,而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。
由于本设计的任务是要求测量的围为0℃~100℃,测量的分辨率为±
0.1℃,综合价格以及后续的电路,决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器,具体的型号为WZP型铂电阻,该传感器的测温围从-200℃~+650℃。
具体在0℃~100℃的分度特性表见附录A所示。
第二节方案论证
温度测量的方案有很多种,可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。
方案一:
采用模拟分立元件
如电容、电感或晶体管等非线形元件,该方案设计电路简单易懂,操作简单,且价格便宜,但采用分立元件分散性大,不便于集成数字化,而且测量误差大。
方案二:
采用温度传感器
通过温度传感器采集温度信号,经信号放大器放大后,送到A/D转换芯片,将模拟量转化为数字量,通过labview显示。
热电阻也是最常用的一种温度传感器。
它的主要特点是测量精度高,性能稳定,使用方便,测量围为-200℃~650℃,完全满足要求,考虑到铂电阻的测量精确度是最高的,所以我们设计最终选择铂电阻PT100作为传感器。
该方案采用热电阻PT100做为温度传感器、AD620作为信号放大器,TLC2543作为A/D转换部件,对于温度信号的采集具有大围、高精度的特点。
相对与方案一,在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。
在这里我选用方案二完成本次设计。
第三节系统的工作原理
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虚拟仪器实验室的PCI-6251数据采集卡,再通过虚拟仪器把当前的电压值转变成温度
第四节系统框图
本设计系统主要包括温度信号采集单元,数据处理单元,时间、温度显示单元。
其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电路(采样)、放大电路。
系统的总结构框图所示。
第二章硬件设计
第一节PT100传感器特性和测温原理
电阻式温度传感器(RTD,ResistanceTemperatureDetector)是指一种物质材料作成的电阻,它会随温度的改变而改变电阻值。
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℃围:
Rt=R0(1+At+Bt2)
在-200~0℃围:
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;
由于它的电阻—温度关系的线性度非常好,因此在测量较小围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,因此铂做成的电阻式温度传感器,又称为PT100。
PT100温度传感器的测量围广:
-200℃~+650℃,偏差小,响应时间短,还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点,其得到了广泛的应用,本设计即采用PT100作为温度传感器。
主要技术指标:
1.测温围:
-200~650摄氏度;
2.测温精度:
0.1摄氏度;
3.稳定性:
0.1摄氏度
Pt100是电阻式温度传感器,测温的本质其实是测量传感器的电阻,通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号,然后再将模拟信号转换成数字信号,再由处理器换算出相应温度。
采用Pt100测量温度一般有两种方案:
方案一:
设计一个恒流源通过Pt100热电阻,通过检测Pt100上电压的变化来换算出温度。
方案二:
采用惠斯顿电桥,电桥的四个电阻中三个是恒定的,另一个用Pt100热电阻,当Pt100电阻值变化时,测试端产生一个电势差,由此电势差换算出温度。
两种方案的区别只在于信号获取电路的不同,其原理上基本一致。
第二节信号调理电路
调理电路的作用是将来自于现场传感器的信号变换成前向通道中A/D转换器能识别的信号,作为本系统,由于温度传感器是热电阻PT100,因此调理电路完成的是怎样将与温度有关的电阻信号变换成能被A/D转换器接受的电压信号。
第三节恒流源电路
从上述关于PT100传感器测温原理可知,由PT100构成信号的获取电路常用的方法有2种,一种是构成的十分常见的电桥电路,当然,在本系统中,考虑成本的问题,一般采用单臂桥;
还有一种是运用恒流源电路,将恒流源通过温度传感器,温度传感器两端的电压即反映温度的变化。
上述两种电路的结构形式见图2-1所示。
A图单臂桥式B图恒流源式
图2-1两种信号获取的结构电路
硬件电路如图所示
图2-2硬件电路图
第四节TL431主要参数简介
TL431是一种并联稳压集成电路。
因其性能好、价格低,因此广泛应用在各种电源电路中。
其封装形式与塑封三极管9013等相同,如图a所示。
同类产品还有图b所示的双直插外形的。
三端可调分流基准源
可编程输出电压:
2.5V~36V
电压参考误差:
±
0.4%,典型值25℃(TL431B)
低动态输出阻抗:
0.22Ω(典型值)
等效全围温度系数:
50ppm/℃(典型值)
温度补偿操作全额定工作温度围
稳压值送从2.5--36V连续可调,
参考电压原误差+-1.0%,
低动态输出电阻,
典型值为0.22欧姆,
输出电流1.0--100毫安。
全温度围温度特性平坦,
典型值为50ppm,
低输出电压噪声。
封装:
TO-92,PDIP-8,Micro-8,SOIC-8,SOT-23
最大输入电压为37V
最大工作电流150mA
基准电压为2.5V
输出电压围为2.5~36V
替换型号及应用领域:
ZTL431AH6TA
ZTL431ASE5TA
ZTL431BH6TA
ZTL431BZTA
ZTL431BCSTZ
ZTL431BE5TA
UTCTL431L
ZTL431BFFTA
应用领域:
:
电平值转换
部结构
图c
TL431的具体功能可以用图c的功能模块示意。
由图可以看到,VI是一个部的2.5V的基准源,接在运放的反向输入端。
由运放的特性可知,只有当REF端(同向端)的电压非常接近VI(2.5V)时,三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过,而且随着REF端电压的微小变化,通过三极管图1的电流将从1到100mA变化。
当然,该图绝不是TL431的实际部结构,但可用于分析理解电路。
第三章软件设计
软件设计部分在labview上完成,前面板如图所示,对温度进行实时采集
图3-1采集显示前面板
Vi子程序部分
图3-2Vi程序
结论
本温度测量系统设计,是采用PT100温度传感器经过放大和A/D转换器送到单片机进行控制温度显示和时间显示。
另外本系统还可以通过外接电路扩展实现温度报警功能,从而更好的实现温度现场的实时控制。
经过多次的修改和调试测量,本设计基本符合设计要求,由于受人为因素和软硬件的限制,系统难免不了带来一些误差,但通过调节和精确计算可以减小误差。
通过本次温度测量系统的设计,我对温度测量控制有了进一步的熟悉和更深入的学习。
在整个设计的过程中,本设计的重点和难点是:
怎样将PT100热电阻的非电量信号转换为能识别的电量信号,其中的信号如何放大及放大倍数的确定等等。
这次毕业设计从一开始的课题确定,到后来的资料查找、理论学习,再有就是近来的调试和测试过程,这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到提升。
在画原理图、电路仿真和调试过程中不可避免地遇到各种问题,这要求保持沉着冷静,联系书本理论知识积极地思考,实在解决不了时候可以请教同学或指导老师。
虽然在制作过程中不可避免地遇到很多问题,但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题,实现了整个系统设计与最后调试,相关指标达到预期的要求,很好地完成了本次设计任务。
通过本次毕业设计,我了解并掌握了一些传感器和labview的基本理论知识。
参考文献
[1]侯国屏,王坤,叶齐鑫。
Labview7.1编程与虚拟仪器设计,清华大学
[2]帆,吴晗平.传感检测技术及应用[M],化工