基于热敏电阻的温度测量方法优化

一、实验目的

●掌握Pt100铂热电阻的特性。

●设计检测调理电路完成温度—电压信号转化。

●运用Lab VIEW软件实现温度监测系统显示界面。

二、实验原理

通过设计检测系统,使系统能够检测从－20℃～180℃的温度变化,且检测精度达到0.1%。同时要求硬件电路最终输出信号控制在0～3 V范围内,方便软件换算温度环节的设计。

恒流源使得流过电阻RT中电流I不变,随着温度变化,电阻值RT改变,电阻两端电压值U可代表电阻值的改变。

图6-4　所选铂热电阻

(1)传感器选择

选择传感器为Pt100铂热电阻,如图6-4所示,铂热电阻温度传感器温度特性为

RT＝R0(1＋AT＋BT 2－100CT 3＋CT 4)

由于我们选用Pt100,所以R0＝100Ω,忽略二次项、三次项和四次项,则

RT＝100×(1＋3.908×10－3 T)

计算T＝－20℃和T＝180℃时,RT的范围。

Pt100的两线制和三线制测量方法：

●两线制热电阻测量方法不能消除导线电阻误差,适合不需要精确温度测量的场合,使用时可以预先测量出导线的电阻,折合成温度后在测量结果中扣除,当然这是一种粗略的补偿方法。

●三线制热电阻测量方法是比较常用的方法,既能消除导线电阻误差,接线也比较简单,是比较专业的温度测量方法。消除导线电阻的前提：三根导线是相同的材质、相同的线径、相同的长度。

(2)恒流源与放大电路

测温系统恒流源与放大电路,如图6-5所示。

图6-5中R1为精密电阻,Vcc为恒定电压,(恒流)。

当T＝－20℃时,RT＝92.2Ω,V1＝92.2Ω×5 mA＝0.461 V；

当T＝180℃时,RT＝170.2Ω,V2＝170.2Ω×5 mA＝0.851 V。

求取放大系数：,取R3＝1 kΩ,R4＝7.6 kΩ,放大7.6倍,对应放大后输出电压为3.503 6～6.467 6 V。

图6-5　测温系统恒流源与放大电路

图6-6　测温系统电平偏移电路

(3)电平偏移电路设计

测温系统电平偏移电路如图6-6所示。

令R6＝R7,R5＝R8,Vcc＝5 V,为使电压偏移3.5 V,选取＝3.5 V,取R6＝R7＝1 kΩ,R5＝R8＝700Ω,可得

对应输出Vo＝0.003 6～2.967 6 V。

完整电路图如图6-7所示。

图6-7　测温系统整体硬件电路实验图

三、实验设备和器材

●NI ELVISⅡ＋实验平台　1套

●计算机　1台

(安装有NI ELVISmx Instrument Launcher及NI ELVIS驱动软件)

●电阻　若干

●Pt100铂热电阻　1个

●OP07运算放大器　3个

四、实验准备(www.xing528.com)

在Multisim软件中对图6-7所示电路进行仿真,其中利用电阻R9替代铂热电阻。当R9分别为92.2Ω,100Ω以及170.2Ω时,查看输出电压。记录仿真结果,与实际电路结果进行对比。

五、实验内容及步骤

(1)按照图6-7所示原理图在NI ELVIS原型板上搭建实际电路,并按图中所示选取相应阻值的电阻,其中R9在实际电路搭建过程中,应替换为Pt100铂热电阻。图中运算放大器OP07的引脚7、引脚4分别与原型板的＋15 V,－15 V端相连,由NI ELVIS的＋15 V,－15 V直流电源为其供电。将Vcc与原型板上的＋5 V端子相连,运算放大器U3的引脚6与原型板左上方的AI7＋端子相连,AI7-端子则与GROUND端相连。原型板上所搭建实验电路实物图,如图6-8所示。

图6-8　原型板上测温电路搭建实物

(2)打开Lab VIEW温度测量系统的主界面,在“通道选择”项选取“ai7”作为写入通道。

(3)分别将热敏电阻置于室温或者热水环境中,运行Lab VIEW程序,通过主界面观察测量到的温度数据,对测量值进行验证。

(4)在程序设计中增加“单位选择”功能,实现摄氏度和华氏度单位的转换。

六、软件设计

在温度测量系统中,基于Lab VIEW软件设计主要负责电压信号与温度信号的转换以及温度值的显示。其程序框图如图6-9所示,前、后面板显示分别如图6-10、图6-11所示。

图6-9　测温软件程序框图

图6-10　测温软件程序面板

图6-11　测温软件前面板

程序主要由信号采集、温度换算、单位选择和温度显示四部分组成。

(1)信号采集

Lab VIEW为用户提供了多种用于数据采集的函数、Vis和Express Vis。在本实验中选取“Measurement I/O”选板→“NI DAQmx”子选板→“DAQm-Data Acquisition”各控件实现信号采集,如图6-12所示。依次选取“Creat Channel”“Start”“Read”控件并进行对应连接,创建输入“physicialchannel”并在“通道选择”项选取“ai7”作为写入通道,“Read”控件选项选取如图6-13所示。完成上述步骤可实现信号采集。

(2)温度换算

依据铂热电阻的温度特性,可通过传感器电压信号在实验原理公式中的相应转换得到此时所测温度。通过Lab VIEW软件实现简单公式计算可直接选取“公式结点”完成。如图6-14所示,在“Structures”选板选取“Formula node”编写函数完成转换。

图6-12　信号采集所需控件选择

图6-13　“DAQmx-Read”控件选项选取

创建输入端口：鼠标右键单击公式节点左边框,从弹出菜单中选择“添加输入”,在出现的输入端口中输入变量名称,如“R”,就完成了输入端口的创建。本实验中将采集到的0～3 V电压信号作为公式的输入变量。

(3)单位选择

在程序设计中还增加了单位选择功能,可以完成摄氏度和华氏度单位的转换。在前面板选择“Boolean”→“Horizontal Toggle Switch”,并选择“Comparison”→“Select”控制输出值,如图6-15所示,对应连接后实现摄氏度、华氏度选择。

(4)温度显示

将单位选择结果连接至任意显示控件,如：数值显示、滑竿输出、旋钮与转盘输出等。以仪表输出为例,选择“Numeric”→“Meter”对最终测量温度结果进行显示,如图6-16所示。

利用设计软件测量当前室温进行验证。

图6-14　“公式结点”选取示意图

图6-15　单位选择模块控件选取示意图

图6-16　“仪表输出”控件选择示意图

上述过程的Lab VIEW程序,请扫描右边二维码获取。

七、实验思考与拓展

(1)进行热敏电阻测量时,为什么会有不同的接线方式?不同接线方式对测量精度有何影响?

(2)进行热敏电阻测量时,接线方式的不同对信号检测和调理电路的设计要求是否不同?为什么?

基于热敏电阻的温度测量