第二章 温度检测系统设计
由于本设计的任务是要求测量的范围为0℃～100℃，测量的分辨率为±0.1℃，综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器，具有稳定性好、测量准确、抗振动、灵敏度高和安装使用方便等优点。该传感器的测温范围从－200℃～＋850℃。
本设计设计的温度监测系统是把热电阻信号通过传感器检测转变为电压信号，经过信号采集电路转换成A/D输入的标准信号。之后A/D将模拟电压信号变转换成数字信号，然后送入单片机（MCU）进行处理和运算，单片机将处理的数据通过LED数码管显示。整体方案设计流图如图5所示。
传感器处 显 A/D 理电路单 转 换片机示模块2.1方案论证
温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。 方案一：模拟分立元件
如电容、电感或晶体管等非线形元件，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。 方案二：温度传感器
通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统，最后经过LED显示温度。 热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方便，测量范围为-200℃～850℃，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度是最高的，所以我们设计最终选择铂电阻Pt100作为传感器。该方案采用热电阻Pt100作为温度传感器、OP07作为信号放大器，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。相对与方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。在这里我选用方案二完成本次设计。
图5 检测原理图
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2.2 传感器
温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。
热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如Pt100、Pt1000等。
热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。
根据系统温度范围0到100，选择最常用的Pt100型铂电阻传感器，因为其具有稳定性好，测量准确，灵敏度高，抗振动，安装使用方便等优点。
2.3 热电阻的接线方式
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前热电阻的引线主要有三种方式：
1） 二线制连接方式
在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式如图6所示只适用于测量精度较低的场合。
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图6 二线制接法
2）三线制连接方式
在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。
3）四线制连接方式
在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。
热电阻采用三线制接法：
采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。
当Pt100在0℃的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。
铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式： 当-200 Rt为t℃时的电阻值，R0为0℃时的阻值。公式中的A,B,系数为实验测定。这里给出标准的系数： A=3.90802×10-3/℃； B=-5.802×10-7/℃； C=-4.27350×10-12/℃。 WP型Pt100薄膜铂电阻传感器的主要技术指标如下： 13 1、测量范围：-200～400℃； 2、基本误差：±(0.15+0.002 ︳t︳)℃； 3、响应时间：<30s； Pt100温度传感器在0℃-100℃时，电阻与温度呈线性变化，0℃时电阻值为100Ω，100℃时电阻值为138．5Ω，电阻变化率为0．3851Ω／℃。由于其电阻值小，灵敏度高，所以在接线的时候，引线的阻值不能忽略不计，而采用三线式接法可消除引线线路电阻带来的测量误差，原理如图7： 图7 三线制接法 Pt100引出的三根导线截面积和长度均相同(即 r1=r2=r3)，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻(Rpt100)作为电桥的一个桥臂电阻，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。当被测介质温度变化时，Pt100铂电阻阻值发生变化，电桥失去平衡，U≠O。由Pt100温度／阻值对应关系式可知，当温度较低时，Pt100的阻值变化量相对于R0较小，电桥输出压差正比于Pt100的阻值变化量，Pt100的线性度较好；当温度较高时，R／R0的值较大，Pt100的线性度变差。Pt100在常温0--100℃之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：RPt=100(1+At)，当温度变化1℃时，Pt100阻值近似变化0．3851Ω，对应的电桥输出压差变化0．001V。 14 第三章 数据采集系统 3.1温度变送器 3.11温度变送器的用途和分类 温度变送器用于温度测量，本文将温度变送器定义为应用温度传感器进行 温度检测，通过转换电路将温度传感器的信号转换为标准电流信号、标准电压信号的温度测量装置。 从信号输出接口上分为4~20mA，0~10mA，0~20mA，0~5V，0~10V等，或数字/频率接口和其他接口；从结构和安装形式上分为壁挂式，风道式，探棒式；从温度传感器和转换电路的距离上分为一体式或分体式；还有防爆等类型产品。 3.1.2温度变送器的基本原理和技术参数 应用温度传感器进行温度检测，其温度传感器通常为热电阻、热敏电阻、集 成温度传感器、半导体温度传感器等，然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为标准电流信号或标准电压信号。温度测量范围、 温度测量准确度、温度测量信号输出形式、 温度变送器的结构形式和安装形式。 3.1.3温度变送器的选用 由于本系统设计的测温范围为0～100°C,选用的温度传感器类型为Pt100，参见温度传感器选型；可选择0~5V的温度变送器其工作原理以热电阻Pt100为例，通过感应温度变化达到阻值的变化 温度变送器： 1.通过确认阻值的不同计算出当前的温度 2.再根据热电阻的量程变送输出对应的标准 信号(1-5V）值 即： 温度变化－－热电阻－－电阻变化－－温度变送器－－1~5V信号 3.2数据采集 3.2.1 PT100采集模块 热电阻温度传感器采集模块可以实现两路现场温度的采集，同时利用采集模块自身的RS－485总线串行通信接口可以方便地和环境监控主机或其他工控主机进行联网。 15