电子测温计

电子测温计 目 录 引言1 1 设计任务要求及构思 1.1 设计任务及要求 1.2 题目分析及构思 2 测量部分的设计 2.1 直流电桥原理 2.2 惠斯顿电桥各电阻阻值的分析 2.3 消除导线电阻对测量信号的影响 3 放大部分的设计 3.1 OP07运算放大器的各项参数 3.2 放大电路的计算 4 电路的综合分析及仿真 4.1 电子元件大小的确定 4.2 校准部分的确定 4.3 电路的仿真 4.4 仿真结果及其分析 结论 参考文献 0 引 言 传统温度计是采用玻璃带水球形式，其精度较低，更不适应目前生活和电子化时 代的要求。在需要对温度要求较高，并需控制和广泛民用行业中，很需要价廉实用的电 子测温计。 传统的测量方法，大都是利用固、液体的热膨胀原理而制造的传统温度计，它们 都具有一定的局限性，特别是在深度和远距离测温场合中，其不足表现的更为突出。本 文所述的电子测温计是使用温度传感器将温度信号转化为电信号，然后用电压表进行温 度指示的。 此测温计具有读数直观和精度较高等特点。 1 （1）设计任务及要求 用温度传感器测量温度，经运算管放大后，送入电压表显示。测温范围：5～100?，温度分辨率0.5?，测温误差小于1?，温度指示方式：采用指针式电压表显示，0V对应0?，5V对应100?。 （2）题目分析与整体构思 从题目出发，首先要选择温度传感器，考虑精确性，选用温度传感器Pt100具有测温范围大,温度系数小和线性好的特点。它与通常用的惠斯登电桥来构成为温度测量电 路。在此次设计中，将温度传感器Pt100与其它三个电阻连接成惠斯顿电桥来进行温度 向电量的转换。 从惠斯顿电桥输出的信号一很小，要用指针式电压表直接来表示这一信号显然不能 达到要求，所以要将这一小信号进行放大再输入电压表显示。对信号放大的元件选择运 算放大器OP07，由OP07构成的各种放大电路中，使用三个OP07运算放大器构成的仪用放大电路是各种测量放大电路常用的电路。 最后就是显示部分，根据设计要求，选则0V到5V电压表作为显示端。 （1）直流电桥原理 设R1为电桥工作臂，温度变化时， 其电阻变化为,R2,R3,R4均为固定桥臂。在起始时电桥处于平衡状态，此时U0=0。当有时，电桥输出电压为 （2.1.1 ） 图2.1 直流电桥原理图 2 设考虑到起始平衡条件,当 <<时略 去分母中项，得 （2.1.2） （2.1.3） Ku称为电桥的电压灵敏度，Ku愈大，说明热电阻相对变化相同的情况下，电桥 输出电压愈大，电桥愈灵敏。由上式知，欲提高Ku，必须提高电源电压，但考虑到直 流电源实际电压不会太大存在一定限制，另外就是选择适当的桥臂比n。 下面分析，电桥电压一定时，n应取何值，电桥灵敏度最高。 当dK/dn=0即 亦即n=1时，Ku为最大。就是说，在电桥电压一定，当R1=R2，R3=R4时，电桥的电压灵敏度最高。通常这种情况称为电桥的第一种对称形式。而R1=R3,R2=R4，则称为电桥的第二种对称形式。第一种对称形式有较高的灵敏度，第二种对称形式线性较好。 所以在此设计中取四个桥臂电阻相同这一特例，此时 （2.1.4） （2.1.5） （2.1.6） 由以上三式知，当电源电压及电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏 度将与各桥臂阻值的大小无关。 (2)惠斯顿电桥各电阻阻值的分析 在此次设计中取四个桥臂电阻相同，此电桥即为惠斯顿电桥，又因为2.1.2式得 3 出条件是<<,并且Pt100温度传感器在0?时阻值为100Ω，在100?时为139.1Ω。阻值变化约为40Ω。温度计要求在0?时电桥处于平衡，四个桥臂电阻应相同，考虑如 上要求，可取三个阻值为10kΩ的精密电阻为三个固定桥臂、一个9.9kΩ的精密电阻和一个Pt100温度传感器组成将温度向电量转换的测量桥臂，在0?时，电桥处于平衡状 态，输出电压信号为0，随着温度的变化，输出信号按照2.1.5式变化。 温度传感器Pt100在不同温度下的电阻如下表 图2.2.1 Pt100电阻分度特性表 （3）消除导线电阻对测量信号的影响 考虑到Pt100温度传感器0?时电阻值为100Ω，电阻变化率约为0.391Ω/?。由于其电阻值小，灵敏度高，所以引线的阻值不能忽略不计，采用三线式接法可消除引线线路 电阻带来的测量误差，原理如下：Pt100引出的三根导线截面积和长度均相同(即r1=r2=r3)，测量时Pt100温度传感器的电路一般是不平衡电桥，Pt100温度传感器作为电桥的一个桥臂电阻的一部分，将导线一根(r1)接到电桥的电源端，其余两根(r2、r3)分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电 阻，电桥处于平衡状态，引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响接法如图2所示。 4 图2.3.1 Pt100三线接法电路 由三根导线相连的Pt100温度传感器能在市场购得，因此在此电子温度计电路中无 需再重新另接三根相同的导线。 （1）OP07运算放大器各项参数 由惠斯顿电桥测量出的电压信号十分微弱，需要经过信号的放大才能被显示端的电 压表准确显示。因此在此次设计中，采用由三个OP07运算放大器构成的经典的仪用放大器，OP07运算放大器的相关参数如下： 1)输入噪声电压幅度—0.35 μVP-P (0.1Hz ～ 10Hz) 2)输入失调电压—10 μV 3)输入失调电压温漂—0.2 μV/ ? 4)长期稳定性—0.2 μV/MO 5)输入偏置电流—? 1nA 6)共模抑制比—126dB 7)共模输入电压范围—?14V 8)电源电压范围—? 3V ～? 22V （2）放大电路的计算 如图所示，仪用放大器的差动输入端u1和u2分别是两个OP07运算放大器 （A1、A2）的同相输入端。由于同相放大器输入阻抗高，因此仪用放大器具有输入阻 抗高的特性。在电路里选用A1与A2严格对称，外接的电阻精密匹配，采用具有较高 的共模抑制比的A3作为放大器的输出端。 在此电路中，由A1、A2完成放大任务，A3完成共模抑制任务。如果输入端只有共模电压信号存在，由A1、A2输出的共模信号相同，在A3输入端相减，则A3输出为 5 零。 图3.2.1 放大电路 如上图，OP07运算放大器A1,A2电路对称，因此电阻R1的中点为零电位，相当于 接地，因而运算放大器A1的输出为： ,,,,R2R22,,,,u,1，u,1，u01i1,,,,R2R11,,,,（3.2.1） 同理，运算放大器A2的输出为： ,,2R2,,u,1，u022,,R,,1（3.2.2） R4，，u,u,u00201R3 ,,R2R42,,，，,，1，，u,u21,,RR31,,（3.2.3） （1）电子元件大小的确定 由式2.1.5及式3.2.3有： ,,RR2R1,Pt42,,u1U,，，，o,,RR4R310,, (4.1.1） 6 其中U为桥臂两端电源电压,R0为桥臂固定电阻。由前有R0取10kΩ，电源电压可取9V，R3=R4=10kΩ，则要使u0为5V，应有R2为R1的250倍左右，可取R2为250kΩ，R1为1kΩ的可调电阻，由此可得到温度计电路的测量和放大部分。 (2)校准部分的确定 同其它测量仪器相同温度计电路也需要校准部分，校准部分采用一个较大的固定电 阻和一个较小的可调电阻来组成，电压表接在固定电阻两端，调节可调电阻即可改变电 压表的电压，从而进行温度计的校准。可知固定电阻两端电压应基本等于放大端输出电 压，校准时可调电阻只起到改变微小电压的目的，所以取固定电阻R5阻值为100 kΩ,可调电阻R6为100Ω。经组装后的电路图如下 图4.2.1 测温计电路 （3）电路的仿真 EWB仿真电路图如图4.3.1 在仿真时用741运算放大器代替OP07运算放大器,Pt100用一个电阻来代替，依据 Pt100在不同温度下的阻值来确定此电阻阻值，调节图中放大电路中1000Ω的可变电阻来调节仪用放大电路的放大倍数进而调节放大部分输出信号，同时调节测量部分100Ω可变电阻，对电压表两端电阻进行微调。 仿真时应先对电路中电压表调零，调零的过程如下：将替代Pt100的电阻值设定为在0?下Pt100的阻值100Ω此时电压表基本指零，调节测量端的可变电阻使指针指零，在此 仿真电路中达到微伏级就足以满足要求，然后设定电阻值为Pt100在100?度下的阻值139.1Ω，此时调节放大部分的可变电阻来改变电压放大倍数，进而使电压表到达满偏 5V，重复以上过程直到电压0V和5V两端都满足要求时，调零结束。 7 图4.3.1 测温计仿真电路 （4）仿真结果及其分析 仿真结果如下表，由0到5V表示0?到100?知到电压表刻度盘100格，每格表示1?，即有每格电压0.05V表示1?，在下表中误差为测量的电压信号与理论电压表 标定的电压值的偏离量，下表中已经将电压误差转换为温度误差. 温电阻电压误温电阻电压误温电阻电压误度差? 度差度差(Ω) (V) (Ω) (V) (Ω) (V) ? ? ? ? ? 0 100 0.0001 0.000 34 113.43 1.719 0.380 68 126.72 3.418 0.360 1 100.40 0.0511 0.022 35 113.82 1.769 0.380 69 127.10 3.467 0.340 2 100.79 0.1014 0.028 36 114.21 1.819 0.380 70 127.49 3.516 0.320 3 101.19 0.1523 0.046 37 114.60 1.869 0.380 71 127.88 3.566 0.320 4 101.59 0.2035 0.070 38 115.00 1.920 0.400 72 128.27 3.616 0.320 5 101.98 0.2535 0.070 39 115.39 1.970 0.400 73 128.66 3.666 0.320 6 102.38 0.3047 0.094 40 115.78 2.020 0.400 74 129.05 3.716 0.320 7 102.78 0.3559 0.118 41 116.17 2.070 0.400 75 129.44 3.766 0.320 8 103.77 0.4059 0.118 42 116.57 2.121 0.420 76 129.82 3.814 0.280 9 103.57 0.4571 0.142 43 116.96 2.171 0.420 77 130.21 3.864 0.280 10 103.96 0.5071 0.142 44 117.35 2.220 0.400 78 130.60 3.914 0.280 11 104.36 0.5583 0.166 45 117.74 2.270 0.400 79 130.99 3.964 0.280 12 104.75 0.6082 0.164 46 118.13 2.320 0.400 80 131.37 4.012 0.240 13 105.15 0.6594 0.188 47 118.52 2.370 0.400 81 131.76 4.062 0.240 14 105.54 0.7094 0.188 48 118.91 2.420 0.400 82 132.15 4.112 0.240 15 105.94 0.7606 0.212 49 119.31 2.471 0.420 83 132.54 4.161 0.220 8 16 106.33 0.8105 0.210 50 119.70 2.521 0.420 84 132.92 4.210 0.200 17 106.73 0.8617 0.234 51 120.09 2.571 0.420 85 133.31 4.260 0.200 18 107.12 0.9116 0.232 52 120.48 2.621 0.420 86 133.70 4.310 0.200 19 107.52 0.9628 0.256 53 120.87 2.671 0.420 87 134.08 4.358 0.160 20 107.91 1.013 0.260 54 121.26 2.720 0.400 88 134.47 4.408 0.160 21 108.31 1.064 0.280 55 121.65 2.770 0.400 89 134.88 4.460 0.200 22 108.70 1.114 0.280 56 122.04 2.820 0.400 90 135.24 4.506 0.120 23 109.10 1.165 0.300 57 122.43 2.870 0.400 91 135.63 4.556 0.120 24 109.49 1.215 0.300 58 122.82 2.920 0.400 92 136.02 4.606 0.120 25 109.88 1.265 0.300 59 123.21 2.970 0.400 93 136.40 4.654 0.080 26 110.28 1.316 0.320 60 123.60 3.019 0.380 94 136.79 4.704 0.080 27 110.67 1.366 0.320 61 123.99 3.069 0.380 95 137.17 4.752 0.040 28 111.07 1.417 0.340 62 124.38 3.119 0.380 96 137.56 4.802 0.040 29 111.46 1.467 0.340 63 124.77 3.169 0.380 97 137.94 4.851 0.020 30 111.85 1.517 0.340 64 125.16 3.219 0.380 98 138.32 4.899 0.020 31 112.25 1.568 0.360 65 125.55 3.269 0.380 99 138.72 4.950 0.000 32 112.64 1.618 0.360 66 125.94 3.318 0.360 100 139.10 4.999 0.020 33 113.03 1.668 0.360 67 126.33 3.368 0.360 图4.4.1 仿真结果 图4.4.2 仿真数据曲线 9 由以上仿真结果可知道，经调试后此仿真电路测量电压在0到50?至60?随 着温度的升高而偏离电压表预定刻度的值增大，最大误差为0.420?，在60到100?温度内其偏离程度随着温度的升高而减小，，在表中可看出在小的温度变化范围内测量电 压成线性变化所以分辨率可达0.5?，此测温计可测量0?到100?的范围，所以满足设计要求5?到100?. 10 结 论 通过以上电路分析及其仿真可以知道，此电路做为一个完整的温度测量电路除了其 本身的性能能够满设计要求之外，由于是通过Pt100温度传感器作为温度原始量的测量， 而Pt100温度传感器随温度的线性变化范围一般为零下上百度到几百度，因此对此电路 的电阻阻值进行适当修改其测温范围也将相当大。这个优点是传统的利用材料物理特性 来实现测温的温度测量计没有的。 11 参考文献 [1]峦桂东 ，张金铎，金欢阳编著.传感器及其应用.西安：西安电子科技 大学出版社，2002 [2]冈村迪夫著，王玲 徐雅珍 李武平译.OP放大电路设计.北京：科学出版社，2004 [3]刘征宇著.电子电路设计与制作.福建：福建科学技术出版社，2003 [4]邹其洪，黄智伟，高嵩等编著.电工电子实验与计算机仿真.北京：电子工业出版社，2007 12