机电类 《自动检测技术及应用》 （第二章第五节多媒体课件） 统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4 课程配套网站 www 机电类 《自动检测技术及应用》 （第二章第五节多媒体课件） 统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4 课程配套网站 www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net 2012年7月版

第五节 工程项目设计实例 ——利用铂热电阻测控烘箱温度 第五节 工程项目设计实例 ——利用铂热电阻测控烘箱温度 本节介绍真空浸漆工艺、烘干箱结构，隔爆型温度传感器的选取，安全栅、本安型仪表，简单介绍单片机的PID控制等。

工程项目设计实例 ——利用铂热电阻测控电烘箱温度 一、课题来源、要求 某电子公司生产小型电源变压器，重要的工艺之一为真空浸漆，并利用烘干机烘干处理。 电烘箱的原配测温器件为水银温度计，现希望改为隔爆型温度传感器，配置安全栅和本安型仪表，自动测量、控制电烘箱的温度。 温度传感器的信号作A/D转换后，送单片机作运算处理； 单片机根据用户设定的温度上、下限值控制电烘箱的温度。

技术指标 1.电烘箱电源：三相380V； 2.额定功率：10kW； 3.数字温度表（置于电烘箱控制柜上侧）显示温度范围： 0～199.9℃ 4.准确度：优于1％ 5.分辨力：小数点后1位； 6. 温度控制误差：±3℃。 真空浸漆设备

真空浸漆简介 运用于各种中、小型变压器、电感、镇流器、继电接触器、电机、电子线绕元件的绝缘浸漆。能提高绝缘漆渗透能力，增加充填率，减少浸漆时间，提高电器绕组的整体机械强度，绝缘强度及防潮、防霉等性能。 绕组在真空(负压)下进行绝缘处理，绝缘油能快速、均匀、彻底渗透到线圈的每个细微毛孔和空隙中，把绕组间的可能的空气尽量排除，提高耐压和绝缘电阻，并固定绕组，减少磁通变化造成的绕组机械振动和吱吱声。 工艺流程

电烘箱控制柜

电烘箱的温度控制示意图 隔爆铂热电阻 温度控制器

温度控制误差 解：绝对误差 温度控制误差控制设定为±3℃。烘干温度在100～130℃可控。大于改数值易引起绝缘油蒸汽爆燃。 例：图示数显表的绝对误差为1%，求最大绝对误差为多少℃？ 解：绝对误差 Δm＝199.9℃×1％ ≈2.0℃， 优于技术指标的±3℃.

二、设计方案及步骤 什么是工程设计： 设计是人类的一种重要创造活动，现代设计是把各种技术成果转化为生产力的一种手段和方法。具体地说，设计是针对预定的目标经过一系列的规划、分析和决策，产生相应的文字、数据、图形等信息的过程。如服装设计、建筑设计、机械设计、电气设计等。设计之后的成果通过实践或实施转化为某项工程或产品。

工程设计过程 工程设计过程是对工程系统提出“如何去做”的研究与设计过程,也可称为系统综合。它包括设计师对硬件、软件和系统接口的设计综合，以及对试验工程和生产制造工程的设计综合。这一过程的目标是保证能够按照工程总要求或研制任务书的要求进行，必须综合设计队伍中各门类专业专家的工作成果，使整个系统达到设计指标，并在可靠性、稳定性、抗干扰等方面达到国家标准。

系统工程的综合过程 必须依靠具有不同知识结构和工程背景的人员组成团队：系统工程设计师、系统分析工程师、专门工程专业工程师、结构集成设计师、工程工艺设计师、 试验工程师、生产制造工程师、计算机辅助设计工程师和技术支持工程师等组成的团队，保障合理、均衡的工程设计。 必须更多地依靠熟悉传统工程设计的工程师，如结构、电器、动力等专业的设计师，在工程研制阶段的前期和后期，以及生产阶段，进行技术把关。

设计顺序 设计者拿到工程项目后，首先必须仔细研究系统的技术指标。然后进行方案选择。 设计是一个“设计→评价→再设计”的反复迭代、不断优化的过程。诸多的问题可能是矛盾的，设计实际也是一个折中的过程。

1．温度传感器的选择 水银温度计； （1）水银温度计：脆弱，不易产生电信号。 （2）热电偶：在200℃以下的热电动势较小，还需要冷端温度补偿。 （3）温度IC：测温上限低于150℃。 （4）铂热电阻：有铠装式、装配式、隔爆式等。本项目采用隔爆式铂热电阻。 在化工厂和其他生产现场，常伴随有各种易燃、易爆等化学气体、蒸气等。在本项目中，绝缘漆蒸气属于可燃性气体，有可能由电火花引发爆炸。隔爆式传感器有较厚的保护外壳及接线盒，再配合配安全栅，就有较强的防爆能力。

隔爆式热电阻与装配式热电阻的主要区别 隔爆式产品的接线盒（外壳）在设计上采用防爆特殊结构，用高强度铝合金压铸而成，并具有足够的内部空间、壁厚和机械强度，橡胶密封圈的热稳定性等均符合国家防爆标准。当接线盒内部的爆炸性混合气体发生爆炸时，其内压不会破坏接线盒，由此产生的热能也不能向外扩散（传爆）。 用橡胶环密封的接线盒出口

隔爆标志 Ⅰ类：煤矿井下用电气设备； Ⅱ类：工厂用电气设备。 隔爆热电阻的防爆等级按其适用于爆炸性气体混合物，最大安全间隙分为A、B、C三级。 ExiallCT5（本安型）、DIP DTTll（粉尘型）； 使用温度＜70℃，使用压力＜1.5MPa。

隔爆热电阻的防爆等级 按其适用于爆炸性气体混合物最大安全间隙,分为A、B、C三级。隔爆热电阻的温度组别,按其外露部分最高表面温度,分为T1～T6六组。 根据指标及成本,综合考虑,本项目测温传感器选择: dⅡBT2型Pt100隔爆型热电阻。 温度组别 允许最高表面温度/℃ T1 450 T2 300 T3 200 T4 135 T5 100 T6 85

2．测量桥路设计方案的选择 方案一：二线制电桥测量电路的缺点 （1）引线的电阻将使原来已调好平衡的电桥失去了平衡，需重新调零。 （2）在测量过程中，气温升高时，引线电缆受环境温度影响，铜质电缆线的电阻与热电阻一样，阻值也会升高，叠加在Rt的变化上，引起测量误差，且无法判断纠正的大小和方向。

方案二：四线制恒流测量电路 由于输出电压是直接从Rt两端引出的，所以恒流源3的激励电流Ii在r1a、r1b上的压降就不被包括到Uo中，因此可以克服引线电阻的影响。 四线制测量电路的缺点是： A/D转换器得到的电压中，本底电压Uo0所占比例较大，而反映温度变化的ΔUo相对较小，降低了系统的分辨力。

方案三：三线制电桥测量电路 热电阻R t用三根导线①、②、③引至测温电桥。其中两根引线的内阻（r1、r4）分别串入测量电桥相邻两臂的R1、R4上，引线的长度变化不影响电桥的平衡,所以可以避免因连接导线电阻受环境影响而引起的测量误差。 1－连接电缆 2－屏蔽层 3－恒流源 4－法兰盘安装孔 RP1－调零电位器

结论： 三线制电桥测量电路的稳定性较好，本项目采用方案三。限流电阻R7取25Ω,用于微调桥路电流,使之不超过10mA,以免热电阻自发热温漂，且防止短路过电流。

3．电桥调零电路的设计 为了尽量减小误差，提高灵敏度，桥路电阻选用锰铜线绕精密电阻，R2＝R3＝R4等于R1的初始值(100Ω)。由于元件的误差等原因，安装完成的电桥仍存在微小的不平衡，因此必须在电桥中加入一个调零电位器。本项目采用并联调零法。 R5+R6+RP1应大于桥臂电阻的100倍以上(本例为20kΩ),以免影响电桥的线性度和灵敏度。取R5、R6=10kΩ, RP1=1kΩ。

桥路电源标称电压的选择 电压的标称值： 三端固定正、负输出集成稳压器型号为： 正：7805、06、08、09、12、15、18、24 三端可调输出集成稳压器：LM317（1.25V） 负：7905、06、08、09、12、15、18、24 后缀为： L：100mA；M：500mA；T:1.5A；K:3A 问：若桥路只需要6.25mA，1.25V电压，应选取_______型号的三端稳压器？ 为了减小因激励电流引起的发热和温漂，本项目选取1.25V桥路电压。可选用LM317L，输出最小电压为＋1.25V，最大可以调节到37V。

LM317的典型应用电路 本项目中，R2=0 则Uo=1.25V(最小值)。 在0℃时流过铂热电阻的电流IR1为： IR1=Uo÷(R1+R2) =1.25 V÷(100+100)Ω =6.25mA，不至于导致铂热电阻的自体温度上升，并引起测量误差。

TL431简介及典型应用电路 TL431是一个有良好热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻R1、 R2就可以设置从Vref（2.5V）到36V。 当输出电压为最低值(2.5V)时,可以用于350Ω的应变片桥路,而不会使电流超过10mA。

4．放大电路的设计 差动减法放大电路：只对b、d 两点的输入电压之差Uo1＝Ud－Ub才有放大作用，叠加在Ud、Ub上的对地共模电压将自动抵消，基本不会在放大器的输出电压Uo2中反映出来。放大倍数：K＝-Rf1 /R 11。 运放的共模抑制比应大于120dB。开环电压上升时间应小于1μs。 b d 1 2 运算放大器可以采用OP-07系列等低温漂运放。

第一级放大电路的计算 减法差动放大器的直流差模放大倍数: 若选用Pt100标准热电阻，当t＝100℃时，查Pt100分度表，得到R100℃=134.71Ω,R2=R3=R4=100Ω，选用精密锰铜线绕电阻 。设桥路电源的原始电压Ui=2.50V，当R7=25Ω，忽略r1、r2、RP1的影响时，真正施加到三线桥路的电源电压Uac=2.00V。由分压比公式，可得桥路的输出电压为： 若希望t＝100℃时，放大器的输出电压为整数值，Uo2＝1.00V，则要求:

减法放大器4个主要电阻阻值的确定 若希望t＝100℃时，放大器的输出电压Uo2＝1.00V，则K=6.77倍。Rf的取值不能太小，一般应大于10kΩ。 若考虑到非理想运放的输入失调电流和失调电压以及输入偏置电流均不为零,则Rf不应超过1MΩ 。 为了增大桥路的负载电阻，减小对桥路的影响，可以取R11=R12为整数值100kΩ，则R13=Rf的理论值约为677kΩ，取标称值680kΩ。

第二级放大电路的设计 为了能调整输出电压的大小，在上页放大器的右边，再连接一个如下图所示的反相放大器A2。 放大倍数：K2＝-Rf2 /R21。 第一级放大器的输出Ui2=1.0V，若希望在被测温度在100℃时，Uo2达到4V, 则K2＝4倍。一般 100kΩ ＞R21 ＞1kΩ若R21取20kΩ ，则 RP2+R21＝Rf2＝80kΩ 3

第二级放大器阻值的计算 上述Rf2为80kΩ，再设RP2取Rf2的1/4，为20kΩ ，则R22＝(Rf2-½RP2)＝80-10＝70kΩ，取标称阻值为68kΩ 。 当RP2调节到0Ω时，第二级的放大倍数为3.4倍； 当RP2调节到20kΩ时，第二级的放大倍数为4.4倍。 输出电压的调节范围为：3.4~4.4V。 3 电阻标称值简介

放大器滤波电容的计算 Rf2两端必须并联一只滤波电容器，以滤除50Hz的干扰。滤波电路的时间常数ι＝Rf·Cf应大于10T50Hz，即200ms。若R的单位为kΩ，C的单位为μF，则ι的单位为ms。 在上例中，设Rf2＝80kΩ ， ι＝ 20T50Hz ＝400ms ， 则Cf＝5μF， 可取标称值容量4.7μF,且不能用 电解电容，通常选用独石电容 （叠层磁介电容）。 电容的标称值为(×10n)： 1.0、2.2、3.3、4.7、6.8 电容标称值简介

放大器电源电压的选取和退耦 考虑到常用的单片机A/D转换器的最大转换电压为5V，本项目的放大器正、负电源取标称电压±6V。放大器的饱和输出略大于5V，不至于使A/D转换器的输入端产生过电流。 放大器的正负电源VCC、VEE端还应并联约0.1μF的磁介退耦电容C3、C4，滤除电源上的尖峰干扰电压。

三、系统的调试和测试 1．系统的预调零 将铂热电阻置于冰水混合物中（称为“冰点槽”），将不共地的2.5V标称电压源施加到电桥的电源端子上,RP1置于中间值,反复调节“调零电位器” RP1，使第二级放大器的输出Uo2=0.00V。 冰点槽

2．半满度和100~200℃段的校验 在已经调零的基础上，将铂热电阻从冰点槽中取出，将铂热电阻大部分插入电热水桶中。开启加热电源，从室温开始，至水沸腾时，静置半个小时。调节“调满度电位器”RP2，使Uo2为2.00V。 在校验了“半满度”后，再使水逐渐降温，每隔10℃，以“工业级” 0~150℃水银温度计为准（最小分度为0.5℃ ，允许误差为0.5℃ ），记录放大器在100~0℃“半程段”对应的输出电压值。

3 ．100~200℃段的校验 为了测量100~200℃段的输出电压值，将铂热电阻从水槽中取出，插入电烘箱的测温孔。换一根 50~300℃的工业级水银温度计，从室温开始，逐渐升温，按20℃/小时的速率，直到接近100℃时，停止加热。当温度自然缓慢到达100℃时，放大器应该重复出现上一步骤（“半满度”校验）时的2.00V。然后从100℃开始，每隔20℃，直至199℃（200℃ ）为止，记录放大器的输出测量值（绝对不会等于4.00V），得到非线性误差的修正值，为“铂热电阻软件线性化程序”提供纠偏数据。 计算机可以采用分段折线法计算被测温度，也可以引用拟合曲线方程来计算被测温度。

阶段练习 （1）测试系统为何应先调零后调满度？ （2）并联在运放反馈电阻两端的反馈电容的容量越大，则对50Hz工频干扰的滤波效果就越_______。根据第一章动态误差的分析，Cf取得越大，放大电路的上升时间就越_______ （长/短） ，系统对温度变化的反应就越_______（快/慢）。

在下图电路上标出电阻的阻值、RP的数值以及正负电源的数值。 （3）先自由选取R11＝R12＝_______kΩ。根据K=10.82，可以计算出Rf1＝R13＝_______kΩ，取标称阻值为_______kΩ 。 （注：E24系列电阻的标称值为1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1） b d 2 1 1

若希望第二级放大器在满载后的输出电压为4000mV，则第二级的放大倍数必须为_______倍。 （4）设R21＝20kΩ，则Rf2应为_______kΩ。 设RP2＝20kΩ，则R22＝（Rf2—½RP2）＝_______kΩ 取标称阻值为_______kΩ。 （5）当RP2调节到0Ω时，第二级的放大倍数为___倍； 当RP2调节到20kΩ时，第二级的放大倍数为_______倍。Uo的调节范围为_______～_______V。 （6）Rf2两端必须并联一只_______电容，以滤除50Hz的干扰。根据Rf·Cf≥20T50Hz=400ms（式中，R的单位为kΩ，C的单位为μF），则Cf取_______μF，可取标称值_______μF。 （注：电容的标称值为1.0、2.2、3.3、4.7、6.8×10n）

4. 烘箱温度的控制 1

PWM方式控制电路（仅供参考） 由输出来控制电炉,电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为

主程序说明 电烘箱的温度变化缓慢，采用PID数字控制算法，可以实现的温度控制指标为： 准确度优于±1％，超调整量小于±4％。 主程序中，首先给定PID算法的参数值，然后通过循环显示当前温度,并且设定键盘外部中断为最高优先级，以便能实时响应键盘处理。软件设定定时器T0为5秒定时,在无键盘响应时每隔5秒响应一次，用以采集经过A／D转换的温度信号。设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断，初值由PID算法子程序提供。

温度控制主程序及键盘中断子程序（仅供参考）

PID控制算法 子程序 （仅供参考）

5. 本安型仪表——本质安全性仪表 本项目的热电阻插入到充满绝缘油蒸汽的、有爆炸危险的电烘箱中，所以必须使用防爆式热电阻，并配套本安型仪表。并应符合《爆炸性环境用防爆电气设备》的有关规定。 无论在正常状态下和故障状态下，仪表电路以及系统产生的过流和所达到的温度都不应引燃爆炸性混合物。 本安型仪表的防爆功能主要由以下措施来实现：①采用新型集成电路等组成仪表电路，在较低的工作电压和较小的工作电流下工作；②用“齐纳安全栅”把危险场所和安全场所的电路分隔开来，限制由安全场所传递到危险场所去的能量；③仪表的连接导线不得形成过大的分布电感和分布电容，以减少电路的储能。

齐纳安全栅（简称安全栅） 小型安全栅

安全栅电路

隔离式安全栅原理框图 隔离式安全栅是以中频作为调制波信号。在传感器侧，先将信号进行调制。经变压器或光耦隔离，再进行解调，变换回隔离前的原信号模式。隔离式安全栅比齐纳安全栅优越之处在于： 采用输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，输入/输出之间的耐压可达1500V，本安侧系统不需要接地，切断了大地环流给设计及现场施工带来方便。但是，由于存在两次信号转换，准确度会有所降低。中频振荡和调制电路还将产生射频干扰，产品必须达到国家规定的EMC标准。

安全栅的安装和使用 1. “一次仪表”安装在危险区（称为“本安侧”），电缆接到安全栅右端接线端子3、4； 2. “二次仪表”安装在安全区（称为“非本安侧”），电缆接到安全栅的左端接线端子1、2。 3. 安全栅被设置在安全区一侧，在正常情况下不影响测量系统的功能。 4.安全栅必须可靠接地。

安全栅的组成和保护原理 （1）电流限制回路 它能在本安侧对地短路或元器件损坏等故障情况下，把输出电流限制在安全数值之内。 （1）电流限制回路 它能在本安侧对地短路或元器件损坏等故障情况下，把输出电流限制在安全数值之内。 （2）电压限制回路 它由齐纳二极管组成。当非本安侧电压超过齐纳二极管额定工作电压或串入干扰高电压时，齐纳二极管被击穿而导通，使快速熔断器熔断，起限制电压作用。 （3）快速熔断器 可更换的快速熔断器用来保护齐纳管不被烧毁，因此要求快速熔断器的熔断时间快于齐纳二极管的过热时间。

电阻和电容的标称规格简介 在放大器的设计中，要选择标称值的电阻。 为了规范电阻、电容的数值，国家规定了电阻和电容的标称值。 电阻器、电容器标称值系列通常采用E系列。 E系列是一种由几何级数构成的数列。它是以6√¯ 10＝1.5、12√¯ 10＝1.2、24√¯10＝1.1为公比的几何级数，分别称为E6系列、E12系列和E24系列。

E6系列、 E12系列、 E24系列 在大于等于1，小于10的范围内： E6系列则是在相同的范围内，确定了6个值；

E6系列的电容值 在E6系列中，若第一个电容值设定为： 1.0μF，第二个为1.5 μF （基本不用）， 例：将4.7μF再乘以10n，就得到： 0.047μF,0.47μF, 47μF, 47 0μF, 47 00μF 等一系列规格的电容值。 回“滤波电容计算”

E系列标称值选取示意图 E24 1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、 2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、 3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8 7.5、 8.2、9.1； E12 1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、 3.9、4.7、5.6、6.8、8.2； E6 1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8（电容器）

常用电阻器的色码色环的识别 电阻色码色环，主要分成两部分： 第一部分： 靠近电阻前端的一组是用来表示阻值。三位有效数的电阻值,用前3个环色环用来代表其阻值,第4环代表倍率; 四个色环：其中第一、二环分别代表两位有效数的阻值;第三环代表倍率;如：51.0Ω，510Ω，51.0KΩ。第四环代表误差,带有五个色环比四色环多了一个有效数字。 第二部分： 靠近电阻後端的色环用来代表公差准确度。 如果电阻体只有中间一条黑色的色环，则代表此电阻为零欧母电阻，相当于短接线。

色环列表 颜色 第1位数字 第2位数字 第3位数字 倍率 允许偏差 黑 100 综 1 101 +1％ 红 2 102 +2％ 橙 3 100 综 1 101 +1％ 红 2 102 +2％ 橙 3 103 黄 4 104 绿 5 105 +0.5％ 蓝 6 106 +0.25％ 紫 7 107 +0.10％ 灰 8 － 白 9 金 0.1 +5％ 银 0.01 +10％

棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑 1   2  3  4  5  6  7  8  9 0  色环对照

棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑 1   2  3  4  5  6  7  8  9 0  色环对照

色码色环识别的练习 回“放大器阻值计算” 棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑 1   2  3  4  5  6  7  8  9 0 

休 息 一 下