热电阻测温仪附配套电子式校验仪设计.docVIP

热电阻测温仪及配套电子式校验仪设计 1．设计要求 1.1任务 设计制作一台热阻测温仪表和配套的电子式校验仪，设计的热阻测温仪表支持工业三线制接法（采用恒流法测电阻），具有4~20mA变送输出功能。配套的电子式校验仪可用于设计的热电阻测温仪表的校验。 1.2基本要求 1．设计基于三线制的热阻测温仪表，输入信号为Pt100、Cu50、Cu100可选（能够通过按键选择热电阻分度号），能够以数字形式显示被测温度，测温误差不大于0.5℃，； 2．具有变送功能，对应测温量程变送输出电信号为4～20mA，在0~100℃测温范围变送精度0.5%。 1.3发挥部分 1．设计一台电子式热阻信号校验仪表，可以用来校验基本要求项设计的热电阻测温仪表，模拟电阻范围0~400Ω； 2．设计的电子式热阻信号校验仪表具有输出模拟电阻数字显示功能，可以通过按键改变输出的模拟电阻值，分辨率优于0.1Ω； 3．进一步提高输出模拟电阻的分辨率到0.05Ω。 1.4评分标准 项 目 满分 基本要求 设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。 50 完成基本要求第1项 30 完成第基本要求2项 20 发挥部分 完成发挥部分第1项 20 完成发挥部分第2项 20 完成发挥部分第3项 10 2．系统框图设计 2.1Pt100测温仪框图 以MSP430F169为基的Pt100测温仪电路框图如图2-1所示，完成基本要求部分功能。 图2-1测温仪电路框图 2.2电子式热阻信号校验仪框图 MSP430F413单片机为基的电子式热阻信号校验仪电路框图如图2-2所示，完成发挥部分功能。 图2-2电子式热阻信号校验仪电路框图 3．Pt100测温仪电路设计 3.1恒流源驱动三线制热电阻电路 热电阻测温传感器Pt100的温度与阻值对应关系如图3-1和表3-1所示。使温度测量转为电阻值测量。 图3-1 表3-1 三线制热电阻测温传感器Pt100外引线形式如图3-2所示。 图3-2 Pt100外引线形式 采用三线制是为了消除长线连接引入误差。采用恒流源驱动的三线制热电阻测温传感器电路，如图3-3所示。利用叠加定理，分别求出电路对Ua、Ub的放大倍数AUa和AUb如下： 倍 R_Lin3为导线电阻与50K电阻串联，忽略不计。 倍 根据以上两点电压放大倍数，求出实际输出电压与RT关系如式（3-1）所示，电路中Lin1、Lin2是两根长度、线径和材料相同的导线，因此，R_lin1=R_lin2并设其等于r。 （3-1） 例：当温度为0°C时，RT=100Ω，恒流源输出1mA，Uo=2V；当温度为100°C时，RT=138.51Ω，恒流源输出1mA，Uo=2.77V。单片机中A/D利用率低应加入电平平移和信号放大电路。 由上式可得，该电路使用三线制接法可消除引线带来的误差。 使用该电路应注意问题： 1）电路中电阻值必须准确，否则，会引入误差； 2）运放同向输入放大20倍，反向输入放大40倍，不是标准的差动放大，长导线引入的电磁干扰有一半被放大后输入到下级电路中。因此，该电路不适合强电磁干扰工作环境。 图3-3恒流源驱动的三线制热电阻测温传感器电路 3.2单片机系统和V-I变换电路 测温仪电路如图3-4所示，包括单片机系统电路、恒流源驱动的三线制热电阻测温传感器电路和V-I变换电路如图。 单片机电路中包括MSP430F169芯片、时钟电路、复位电路和LCM12864显示电路。 图3-4单片机系统和V-I变换电路 V-I变换电路如图3-5 所示，输入电压V_A与输出电流Iout的关系如式（3-2）所示。 （3-2） 当V_A=0.4V时，Iout=4mA；当V_A=2V时，Iout=20mA，满足了设计要求。DAC12输出电压与测温度电阻阻值对应关系软件设计中调整。RL是电流源输出所接负载，外引线时注意电流方向。 图3-5 V-I变换电路 3.3系统电源电路 系统电源电路如图3-6所示。 图3-6系统电源电路 3.4仪器标定和系统误差消除 1）系统误差消除方法 恒流源电路存在固定偏差△1；测温电路放大倍数存在固定偏差△2；A/D参考电源引入固定偏差△3。上述电路做得又准又稳难度较大，若只求稳定允许存在一定的固定偏差，则相对容易。可通过仪器最后标定的方法消除该固定偏差—系统误差。 标定方法：用电阻箱代替Pt100，调电阻箱与分度表对应得R1→U1→D1→T1，R2→U2→D2→T2→△。T查表得出，D单片机测得数据，若温度曲线是直线，则温度的计算公式如式（3-3）所示。