PT100温度变送器设计.doc

电子检测装置设计实践

题目：PT100温度变送器的设计

姓名：

学号：

成绩：__________________

西安理工大学信息与控制工程系

2016年1月22日
总成绩

验收成绩

验收（抽样）结果

结果

均方根误差/排名

精度/排名

最终排名

报告成绩

报告评价

学生成绩包括两个部分：检测装置验收和报告。
检测装置验收得分：根据验收测试的4组数据计算得到均方根误差和精度，将其各自排名，排名的结果相加，再排名，根据排名得到每个人的验收得分。
报告得分：根据电路设计、计算，电路图绘制，结果分析，综合得分。
最终得分：验收和报告各占50%。

电子检测装置设计实践
项目设计说明书

项 目：PT100温度变送器的设计
姓 名：
学 号：

西安理工大学信息与控制工程系

2016年1月22日

大 纲
1 概述
随着现代化工业生产的不断发展，在普通家庭里电热水器、电饭煲、电磁炉等家用电器越来越成为必不可少的生活用品，然而这些电器都依赖于温度控制技术，所以说温度控制技术无处不在。基于此，如何获得温度信息值并进行准确而又快速的控制这是非常重要而有意义的研究课题。
因铂热电阻具有测量范围大、稳定性好和耐氧化等优点，本课题采用PT100铂热电阻作为温度感测元件，进行温度传感器的设计与实现。PT100在的额定电阻值是，工作温度范围：，考虑到实际应用，本课题设计的测量范围为。因为热敏电阻的的温度与阻值呈线性关系，根据测量可得温度与电压的关系，阻值与电压的关系。
2 总体设计
温度的控制
1、温度控制范围：10--90℃内可任意设定温度值。
2、控制精度：±5℃
2.1 系统构成

PT100

电源电路
24V输入
24V输入

输出U0
桥式电路
放大电路

2.2 主要设备及元器件选型
根据设计要求，采用LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，lm324原理图如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
lm7812是指三端稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。lm7805系列集成稳压器的典型应用电路如下图所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C9、C10分别为输入端和输出端滤波电容。
ICL7660是一款基于电荷泵原理的电压反相器，在典型电路中，其输出电压和输入电压的极性相反幅值相等，但输出驱动能力不算很高。常用于需要从正电压变换出对称负电压的场合，增加一个ICL7660和几个小电容，就可以实现正负电源。
2.3 系统核心处理策略
输入信号经热电阻，过零点补偿和一级运放，最后滤波得到理想的模拟量输出。
2.4 系统软硬件功能划分
PT100所搭的电阻桥作为温度采集部分，对温度进行实时采集，电源由实验室提供。
3 详细设计
3.1 硬件设计
3.1.1 输入与输出
输入：由电源直接输入经电源电路处理，将5V电压输入。
输出：经电路处理好的信号直接输出。
3.1.2 热电阻检测模块
由于热电阻输出的信号很微弱，故我们通过电桥将阻值变化值先经过电桥放大，得到范围跨度为0-5V，分辨率为0.02V的模拟电压信号，得到需要的测温范围对应的温度值。
热电阻PT100的分度表

温度
℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
电阻值（Ω）
0
10
20
30
40
100.00
103.90
107.79
111.67
115.54
100.39
104.29
108.18
112.06
115.93
100.78
104.68
108.57
112.45
116.31
101.17
105.07
108.96
112.83
116.70
101.56
105.46
109.35
113.22
117.08
101.95
105.85
109.73
113.61
117.47
102.34
106.24
110.12
114.00
117.86
102.73
106.63
110.51
114.38
118.24
103.12
107.02
110.90
114.77
118.63
103.51
107.40
111.29
115.15
119.01
50
60
70
80
90
119.40
123.24
127.08
130.90
134.71
119.78
123.63
127.46
131.28
135.09
120.17
124.01
127.84
131.66
135.47
120.55
124.39
128.22
132.04
135.85
120.94
124.78
128.61
132.42
136.23
121.32
125.16
128.99
132.80
136.61
121.71
125.54
129.37
133.18
136.99
122.09
125.93
129.75
133.57
137.37
122.47
126.31
130.13
133.95
137.75
122.86
126.69
130.52
134.33
138.13
100
110
120
130
140
138.51
142.29
146.07
149.83
153.58
138.88
142.67
146.44
150.21
153.96
139.26
143.05
146.82
150.58
154.33
139.64
143.43
147.20
150.96
154.71
140.02
143.80
147.57
151.33
155.08
140.40
144.18
147.95
151.71
155.46
140.78
144.56
148.33
152.08
155.83
141.16
144.94
148.70
152.46
156.20
141.54
145.31
149.08
152.83
156.58
141.91
145.69
149.46
153.21
156.95
金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。工业上常用金属热电阻从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最好呈线性关系）。
pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
设计电路图如下：

3.1.3 电源模块
本系统采用实验室提供的24V直流稳压电源，经电源电路输出为5V电压。
3.1.4 电压跟随器模块
电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低。
电压跟随器采用+5V和-5V双电源供电形式，为了避免系统输出Vo为负电压的情况。滑动变阻器RF1、RF2调节范围大，使测量更加准确。

3.1.5 计算过程
1.设R1=R2=1K，R4=100（PT100在0度时，阻值为100），电桥 R5=R6=10K(电桥上的电阻大于R1和R2)
2.输入输出关系式
解得

最小范围：3mV—35mV 32mV；最大范围：7mV—25mV 18mV
最小放大倍数：5V/32mV=156，最大放大倍数5V/18mV=278
3.确定Vz的范围及R11、R12、RF2
时， 假设R6=R7，则

设Vref=1.2V Vz为0.3V到0.7V，取Vz的变化为0.5V
放大倍数：
k最小，可调

从而

设R9=10K，R10=5.6K

验证假设是否满足要求：

则放大倍数满足要求。
4. 确定Vo1、R6、R7的范围
设R6=R7=10k,（运放的电阻应远大于其内阻，而内阻一般为100）

3.1.5系统图及元器件清单

元件
数量
ICL7660
1
LM324
2
LM7812
1
LM7805
1
PT100
1
电解电容10uf，100uf
4
电容104,106
若干
电阻
若干
双输出可调直流稳压电源
24V
电位器
2

4 调试与测试
4.1 调试
将PT100放入冰水混合物，此时温度为零摄氏度，PT100阻值此时为100Ω接入电路，分别测Vo1和Vo,调滑动变阻器RV1和RV2，使其电压均接近于0V,并且Uo1> Uo2。对电路信号放大部分先进行调零：测Vo的值并调节RV2，是输出为0.3V,再对电路信号放大部分进行调满：先将PT100放入开水，此时的阻值138Ω接入电路, 再测Vo的值并调节104，使输出接近为5V。如此反复对该电路进行调零和调满的操作，使其输出稳定在0.2V-4.0V之间即可。
4.2 测试
测实验数据：调节PT100的阻值，使其以每隔10℃的阻值接入电路，再测输出Vo的值，电流源电路接好后，开始测电流的输出。测量时应按PT100的阻值增大时测一次，再依次减小其阻值测一次。
测试结果：
1：滑动变阻器RF1调零，调节最佳增益，结果如下所示：
温度
10
20
30
40
50
60
70
80
90
阻值
103.9
107.7
111.6
115.5
119.4
123.2
127.0
130.9
134.7
电压
0.702
1.211
1.834
2.358
2.837
3.295
3.701
4.133
4.487

由图可以看出，PT100温度与电压近似呈线性关系。
5 结论
经过将近两这几天的测控电路课程设计，我终于完成了PT100温度变送器的设计，虽然与老师的要求有一定的差距，但我还是很高兴的。
在这次课程设计中，我自己动手焊接了实验电路，自己检查电路中的错误，自己改正这些错误，自己查资料，这些都是我独立完成的，虽然在这一过程中我们遇到了许多困难，但还是咬牙挺过来了，因此我们也学到了许多东西。由于我之前有过焊接电路板的经验，在焊接过程中并未遇到什么困难，我自己也认为我焊接的电路板还是不错的，但我还是在电路调试中遇到了很大的难题，虽然老师在布置这个课程设计之前给我们讲了一些在调试中要注意的问题，但在实际操作中我们几乎完全忘了这些需要注意的问题，例如对电路的调零和调满的操作，我们都没有将这两步分开来进行，而是直接测电路的输出；再如，调零和调满的操作要进行多次，通过反复调试来保证电路测量范围的准确性，可我们几乎都是只调试了一次就开始测数据，导致数据的不准确。这次课程设计使我了解到了基础电路知识的重要性，只有当我们对基础电路有了一定的了解之后，才能对较为复杂的电路进行分析，从而设计出合理的、合乎要求的电路。
从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，一定要将理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，只有这样才能将我们的所学真正的应用出来，对于问题的分析能力和解决能力有了很大的提高，为以后的科研积累了相当宝贵的经验。这就是我在这次课程设计中的最大收获。