Pt100数字温度计设计

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1、Pt100数字温度计设计综合设计实验忻州师范学院物本0903班门聪杰学号：200909110132指导教师：秦巍摘要：本实验是靠钳电阻来采集温度并实现数字显示的一种温度计，其利用金属钳的电阻随温度单值变化的规律来测量温度。实验首先根据金属电阻温度系数的测定原理和方法测量金属电阻钳与温度的关系，由测定结果得出 Pt100的电阻-温度函数关系。再利用钳电阻的温度一电阻特性，进行数字温度计的设计。关键字：数字温度计温度系数钳电阻测温传感器引言温度传感被广泛用于农业生产、科学研究和生活等领域，数量高 居各种传感器之首。无论是在工业、农业、科学研究、国防和人们日 常生活的各个方面，温度测量和控制都是几位

2、重要的课题。随着电子 技术和材料科学的发展，对各种新型的热敏原件及温度传感器要求结 构先进、性能稳定，以满足对温度测量和控制技术提出的越来越高的 要求。本设计的主要目的是设计精确度相对较高的数字温度计，此温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确， 其输出温度采用数字显示，广泛用于电力、石油、化工、建材等行业 的过程监控系统中，特别对测温比较准确的场所，或科研实验室更方 便使用。1、pt100数字温度计设计的原理1.1、 电阻温度系数各种导体的电阻随着温度的升高而增大，在通常温度下，电阻与温度之间存在着线性关系，可用下式表示R=R (1 + %t)(1)式中，R是温度为t C

3、时的电阻；R为0c时的电阻；0c称为电阻温度 系数.严格说，0c和温度有关，但在 0-100C范围内，0c的变化很小， 可以看作不变.1. 2、钳电阻导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测 环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器.，能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性：(1)电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有 良好的线性关系；(2)电阻率高，热容量小，反映速度快；(3)材料的复现性和工艺性好，价格低；(4)在测量范围内物理和化学性质稳定.目前，在工业应用最广 的材料是钳铜.钳电阻与温度之间的关系，在 0630.74 C范围内用下式表示

4、RT=I0(1+AT+bT)在-200-0 C的温度范围内为RT=R1+AT+bT+C(T-100 C)T3(3)式中，R和R分别为在0c和温度T时钳电阻的电阻值，A、B、 C为温度系数，由实验确定，A=3.90802 X 10-3C1,B=-5.80195 X 10-7 C 2, C=-4.27350 X 10-12 C-4.由式(2)和式(3)可见，要确定电阻 RT 与温度T的关系，首先要确定R的数值，R值不同时，RT与T的关 系不同.目前国内统一设计的一般工业用标准钳电阻R值有100Q和500Q两种，并将电阻值RT与温度T的相应关系统一列成表格，称 其为钳电阻的分度表，分度号分别用Pt1

5、00和Pt500表示.钳电阻在常用的热电阻中准确度较高，国际温标 ITS-90中还规 定,将具有特殊构造的钳电阻作为13.5033K961.78 C标准温度计使用，钳电阻广泛用于-200850 c范围内的温度测量，工业中通常 在600 C以下.1.3、具体设计利用钳电阻测温，常使用电桥电路来实现温度 -电压转化，最佳方案是采用恒流源电桥电路，如图 1所示，调节Ri可使Va=I . R,那 么Mut=M-Va=I . zR电桥输出电压 Mut与Pt100的变化量4 R成比例.热敏电阻温度传感器实验模板5 RH1 w .R立6R图2图1本实验是使用如图2所示的热敏电阻温度 传感器实验模板来实现温度

6、-电压转化的.再进 行标定后，将该数字温度计放到不同温度的环境 里，用万用表读出放大器输出端的电压V02,便可知道所处环境的温度.2、pt100数字温度计设计2.1、Pt100的R-t曲线的测定(1)安装好实验装置，连接好电缆线，打开电源开关将金属电阻Pt100 置于恒温加热盘中，用数字多用表测量出金属电阻Pt100的阻值.(2).顺时针调节“温度粗选”和“温度细选”钮到底，打开加热开关， 加热指示灯发亮(加热状态)，同时观察恒温加热盘温度的变化，当恒温加热盘温度即将达到所需温度（如50.0 C）时逆时针调节”温度粗选”和“温度细选”钮使指示灯闪烁（恒温状态），仔细调节“温 度细选”使恒温加热

7、盘温度恒定在所需温度（如 50.0 C）.用数字多 用表测量出所选择温度时金属电阻 Pt100的阻值.（3）.重复以上步骤，选择恒温加热盘的温度为60C、70C、80C、90C、100c时，数字多用表测量出所选择温度时金属电阻Pt100的阻值（如表1）.根据上述实验数据，绘出R-t曲线（如图3）.（4 ）.求Pt100的电阻温度系数根据R-t曲线,从图上任取相距较远的两点ti-Ri及t2-R2根据（1） 式有：R=R+R% tiR=R+R% t2联立求解得： = （R- Ri） / （ Rit2- Rzti）实验数据：T(C)i65060708090i00R(Q)ii5.73ii9.i9i23

8、.03i26.87i30.68i34.35i37.79表i测得的Pti00的R-t曲线在图3中任取两个点 A B其对应的坐标为：A(50,119.19)B(90,134.35)所以有：R = 119.19Q T i=50C R 2=134.35 Q T 2=90C根据(1)式有： R 尸R+R%ti R2=R+R%t2联立求解得：% = (R2- R i)/( R it 2- R 2t 1)=(134.35-119.19)/(119.19 X 90-134.35X50) =0.00379758按 IEC751 国际标准，温度系数 =0.003851, Pt100 (R0=10OQ)、Pt100

9、0 (R0=100g)为统一设计型钳电阻。百分差 E= | 0.00379758-0.003851 | / 0.003851 X 100%= 1.3 %2.2、 数字温度计的设计与标定方法1：1） .将Pt100温度传感器引线接入实验模板 a、b之间,Ec接入直流10mA勺恒流源，将 15V电源接入模板，用连接线连接黄与放大器R6、R输入端.2） .将Pt100温度传感器置于0c的环境中（如冰水混合物），万用表档位选择在DC 20VI,调节Ri使 W为0.000V.3） .将Pt100温度传感器置于恒温腔中，加热至100.0 C ,调接Rw2使V2为 1.000V（0.001V 相当于 0.1

10、 C）.4） .重复1、2步使误差最小.方法1测得数据：T(C)10090807060504030U(mv)999.6899.3799.0698.5597.8496.4395.8295.2将方法一中所测得实验数据进行处理:标准温度 t/ C10090807060504030测量温度 t/ C99.9689.9379.9069.8559.7849.6439.9229.52绝对误差At/ C0.040.070.100.150.220.360.420.48绘出标准温度与绝对误差温度的曲线如下: t-t曲线t/ C图5方法2:1) .放大器调零：将Pti00温度传感器引线接入实验模板a、b之间， Ec

11、接入直流5V电压,R2端接入1000uA的恒流源，用连接线连接Mi与 放大器R、R输入端，然后短路接入端，调节R2使放大器输出为0.2) .将Pti。温度传感器置于 50.0 C的环境中(如恒温腔恒温在50.0 C),去掉放大器输入端的短路线，调接Rwi使V3为0mV.3）.加热至 100.0 C,调接 Rw2使 V02为 500mV（1mV目当于 0.1 C）.4）对方法2所设计的数字温度计进行检验将方法2所设计的数字温度计的 Pt100温度传感器分别置于100.0 C、95.0 C、90.0.0 C、85.0 C、80.0 C、75.0 C、70.0 C、65.0 C、60.0 C、55.

12、0 C、50.0 C的环境中，并用万用表读出其相对 应的电压 W的值，再将各 W的值与它们相对应的温度进行对比。T(C)100 95908580757065605550U(mv)500.0449.1398.7348.1297.9247.2196.8146.398.447.60.9将方法二中所测得实验数据进行处理表5标准温度t/ c505560657075测量温度t/ c0.094.769.8414.6319.6824.72绝对误差At/ C0.090.240.160.170.320.28标准温度t/ C80859095100测量温度t/ C29.7934.8139.8744.9150.00绝对

13、误差At/ C0.210.190.130.090.00U-T图图6绘出标准温度与绝对误差温度的曲线如下: T-T曲线图74.注意事项供电电源插座必须良好接地；在整个电路连接好之后才能打开电源开关；严禁带电插拔电缆插头.结束语：通过对于本课题的研究，成功设计出了一种基于钳电阻Pt100的数字 温度测量工具。它具有原理简单、性价比高、操作简单等特点。由于设计 本身的特点，温度计存在一定的误差。总结其原因，主要有以下几个方面(1)在进行温度一电阻关系测量时，钳电阻的温度变化较快，而温度 计的显示变化较慢，导致读数的误差。这就使得进行电阻一电压 一温度换算时产生误差；(2)所采用的分压电阻应该为 2k

14、 Q ,而实际的电阻有一定的误差，由 于钳电阻Pt100的电阻变化范围在80Q至150Q之间，实际的分 压值不等于计算的分压值，产生误差；(3)实验所采用的电压源并不是精确的5V电压，影响数据采集精度；(4)在函数计算的过程中存在一个尾数的取舍问题，导致一定的误差。根据以上分析，可在下面几方面进行改进：(1)采用灵敏度很高的已校准的热敏电阻代替温度计；(2)尽可能的延长测量时间和增加测量次数，以减小误差；(3)采用高准确度的器件。参考文献：1 俞阿龙，李正.热敏电阻温度传感器的一种线性化设计J .工业仪表与自动化装置，2003 ,28:8 - 9.2 王红萍.钳电阻温度传感器测温研究J . 抚顺石油学院学报2003,23 :17 - 19.3阎石.数字电子技术基础.北京.高等教育出版社4 马净，李晓光，宁伟.几种常用温度传感器的原理及发展J .中国仪器仪表，2004 ,24 (6) : 1 - 2.5 李广第，朱月秀，王秀山.单片机基础M.北京：北京航空航天出版社,2003. 11 - 112.6吴永生，方可人.热工测量及仪表.北京.中国电力出版社.1995