热电偶温度传感器设计报告.doc

.- 传感器课程设计 设计题目：热电偶温度传感器 2010年12月30日 目录 1、序言…………………………………………………………………3 2、方案设计及论证……………………………………………………4 3、设计图纸……………………………………………………………9 4、设计心得和体会……………………………………………………10 5、主要参考文献………………………………………………………11 一、序言 随着信息时代的到来，传感器技术已经成为国内外优先发展的科技领域之一。测控系统的设计通常是从对象信息的有效获取开始的不同种类的物理量不仅需要不同种类的传感器进行采集，而且因信号性质的不同，还需要采用不同的测量电路对信号进行调理以满足测量的要去。因此，触感其与检测技术在现代测量与控制系统中具有非常重要的地位。 而在所有的传感器中，热电偶具有构造简单、适用温度范围广、使用方便、承受热、机械冲击能力强以及响应速度快等特点，常用于高温区域、振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小结构测温场合。 因此，我们想设计一种热电偶传感器能够在低温下使用，可以适用于试验和科研中，测量为温度范围：-200 ℃ ~500 ℃，电路不太复杂的简易的热电偶温度传感器，考虑到制作材料相对便宜，我们选择了铜-铜镍（康铜）。在选择测量电路时，我们从简单，符合测量范围要求及热电偶的技术特性，我们采用了AD592对T型热电偶进行冷结点的补偿电路。这种型号的电路允许的误差（0.5 ℃ 或0.004x|t|）相对于其他类型的热电偶具有测量温度精度高，稳定好，低温时灵敏度高，价格低廉。能较好的满足测量范围。 热电偶同其它种温度计相比具有如下特点： a、优点 热电偶可将温度量转换成电量进行检测，对于温度的测量、控制，以及对温度信号的放大、变换等都很方便， 结构简单，制造容易， 价格便宜， 惰性小， 准确度高， 测温范围广， 能适应各种测量对象的要求（特定部位或狭小场所），如点温和面温的测量， 适于远距离测量和控制。 b、缺点 测量准确度难以超过0.2℃， 必须有参考端，并且温度要保持恒定。 在高温或长期使用时，因受被测介质影响或气氛腐蚀作用（如氧化、还原）等而发生劣化。 二、设计方案及论证 1、热电偶工作原理: 如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生电流，那么两端之间就会存在Seebeck热电势，即塞贝克效应。热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热电偶导体的长度、直径无关。 温度测量范围和允许误差 热电偶名称 型号 分度号 允差等级 测量范围(℃) 允 差 (参考端为0℃) 铂铑30-铂铑6 WRB (WRR) B 2级 600～1700 0.0025∣t∣ 3级 600～800 4℃ 800～1700 0.005∣t∣ 铂铑10-铂 WRS (WRP) S 2级 0～600 1.5℃ 600～1600 0.0025∣t∣ 铂铑13-铂 WRR (WRQ) R 2级 0～600 1.5℃ 600～1600 0.0025∣t∣ 镍铬-镍硅 WRK (WRN) K 2级 -40～333 2.5℃ 333～1200 0.0075∣t∣ 镍铬-铜镍 WRE E 2级 -40～333 2.5℃ 333～900 0.0075∣t∣ 铜-铜镍 WRT (WRC) T 2级 -40～133 1℃ 133～350 0.0075∣t∣ 铁-铜镍 WRJ (WRF) J 2级 -40～+333 2.5℃ 333～750 0.0075∣t∣ 镍铬硅-镍硅镁 WRN (WRM) N 2级 -40～333 2.5℃ 333～1200 0.0075∣t∣ 钨铼3-钨铼25 WRW3 WRe3- WRe25 (W3、D) 200～2000 1.0%∣t∣ 钨铼5-钨铼26 WRW5 WRe5- WRe25 (W5、C) 200～2000 1.0%∣t∣ 铂热电阻 WZP Pt100 A -200～420 (0.15+0.002∣t∣) B (0.30+0.005∣t∣) 铜热电阻 WZC Cu50 -50～150 (0.30+0.006∣t∣) 由上个表格，我们拟定使用T型。 热响应时间： 在温度出现阶跃变化时，热电偶或热电阻的输出变化至相当于该阶跃变化的50%所需要的时间，称为热响应时间。用t0.5表示。 公称压力： 一般是指在工作温度下，保护管所能承受的静态外压而不破裂。实际上，容许工作压力不仅与保护管材料、直径、壁厚有关，而且还与其结构、安装方法、置入深度以及被测介质的流速和种类有关。 置入深度 ● 热电偶最小置入深度 对陶瓷保护管而言，应不小于保护管直径的10～15倍； 对金属及合金保护管，应大于保护管直径的15～20倍。 热电偶的上限温度绝缘电阻值应不小于下表规定： 上限温度tm (℃) 试验温度t (℃) 电阻值 MΩ 100≤tm＜300 t= tm 10 300≤tm＜500 t= tm 2 500≤tm＜850 t= tm 0.5 850≤tm＜1000 t= tm 0.08 1000≤tm＜1300 t= tm 0.02 tm≥1300 t= 1300 0.02 2、热电偶温度温度传感器结构图示意： 3热电偶温度传感器工作原理 如上图，T型热电偶传感器在测量温度时，尖端（测量端）的敏感元件把测量对象的温度通过补偿导线传到补偿器（由于热电偶传感器存在基准结点要求保持稳定，但对于工业方面作为基准结点使用时，基准结点的温度保持恒定非常困难，这就需要补偿器来保持节点稳定，这里我们采用的是AD592制作的补偿器，在后面我们会具体介绍）中，补偿器把测得的温度信号转化为电信号，电信号经过铜导线传送到接收端。它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用，也可以与温度变送器配套，传换为标准电流信号。 4热电偶结构 这次我们决定使用铠装式热电偶 热电偶测温导线 用外带绝缘的热电偶丝材焊接而成，是测温产品里结构最为简单的一种，响应速度极快。 . 铠装热电偶 铠装热电偶的结构原理是：由热电偶丝、高纯氧化镁和不锈钢保护管经多次复合一体拉制而成,具有能弯曲、耐高压、耐震动、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，可以直接测量各种生产过程中0～800℃范围内的液体、气体介质以及固体表面的温度。我们采用的是绝缘式 选择的依据： 温度补偿方法： 前面提到的AD592做冷端补偿，详见后面电路图 三、设计图纸 如图，在T型热电偶传感器的电路图中，电路采用电流输出型温敏传感器AD592测量T型热电偶测试端的温度，与此同时进行冷结点补偿，再由运算放大器A1（OPAMP）将测量的信号进行放大，输出电压U。灵敏度为10mV/ ℃ ，即输出电压与被测温度成比例。REF01为稳压管，为 AD592提供10V的稳定工作电压，RP1用于调节失调电压。RP2用于增益调节，R4和C1构成截止频率为1.6KHz的低通滤波器 四、设计心得和体会 1、本实验对我们来说最大的难点是正确选择做什么，这大概占了我们所有时间的一半。我们在决定做什么时，确实做了很大的弯路。由不知道做什么，到选择了做什么，但做到一段时间做不下去，不得不选择重新选题，从零开始做。另外就是解决如何用CAD软件画自己想要画的图，及用Protel软件画我们的EDA电路图。在这个过程中，我们有很多的沮丧和放弃的念头。 2、为了获得思路，正确可行的传感器类型，我们上图书馆、网上查了很多的资料，当我们有了明确的思路时，三人分好工后，我们发现做起来其实真的不是太难。 3、另外，这次课程设计给我最大收获就是：要解决一个复杂、自己想不通的问题时，查找资料很重要，尤其是去图书馆。以前很少去图书馆，以为图书馆没什么值得看的书，其实不是，是自己没有方向，没定下来要看什么书，要解决什么问题。当你明确了要干嘛时，图书馆确实能让不自己获得很多知识 五、主要参考文献 1、传感器与检测技术 周润景 郝晓霞 编著 2、图解触感器及应用电路 陈圣林 侯成晶 主编 3、常用传感器应用电路的设计与实践 何希才 编著 4、传感器的理论与设计基础及其应用 单成祥 编著 5、Protel2004电路设计