第14章铂电阻的应用.

第14章铂电阻温度测量系统的设计14.1设计任务114.2电路设计14.3LabVIEW虚拟仪器设计3214.1设计任务14.1设计任务本例设计的是一个测温范围为0到100摄氏度的测温仪。读者应能够根据铂电阻的特性建立传感器的模型，并设计相应的测量电路。通过本设计，应掌握以下内容：1）了解铂电阻测温的原理，会根据铂电阻的阻值与温度的关系建立仿真模型；2）掌握铂电阻的测温电路；3）会用LabVIEW设计温度显示模板，把电路输出电压值转换成温度及参数的显示。14.2电路设计14.2.1传感器模型的建立金属铂电阻器性能十分稳定，在-260～+630℃之间，铂电阻用做标准温度计；在0～+630℃之间，铂电阻与温度的关系如下：（14-1）其中（0℃时电阻）R0=100，A=3.9684×10-3，B=-5.847×10-7。然后把参数带入得（14-2）525.847100.39684100tRTT201tRRATBT14.2电路设计◆有了温度与铂电阻的关系式，我们可以建立以下的模型，如图14-1所示。以V1代表温度T，压控多项式函数模块用来实现上述函数，其输出为电压值，由铂电阻的原理，模型模拟的应是电阻值，所以再加一个比例系数为1的压控电阻，因此输出电阻值按算式随温度值的变化而变化。压控函数模块压控电阻图14-1铂电阻模型14.2电路设计14.2.2测量电路组成与原理◆当温度变化时，热电阻的阻值随温度的变化而变化。对温度的测量转化为对电阻的测量，可将阻值的变化转化为电压或电流的变化输入测量仪表，通过测量电路的转换，即可得被测温度。测温电路由以下4部分组成。图12-1为GettingStarted窗口1）稳压环节：◆稳压环节用于为后面的电路提供基准电压，如图14-2所示。稳压二极管稳压电路的输出端接电压跟随器来稳定输出电压。电压跟随器具有高输入阻抗、低输出阻抗的优点。图14-2稳压环节14.2电路设计◆稳压二极管稳压电路是最简单的一种稳压电路，它由一个稳压二极管和一个限流电阻组成。从图14-3的稳压管稳压特性曲线可以看到，只要稳压管的电流，则稳压管就使输出稳定在附近，其中是在规定的稳压管反向工作电流下，所对应的反向工作电压。限流电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。图12-2（a）框图面板及函数模板14.2电路设计14.2电路设计◆设计稳压二极管稳压电路首先需要根据设计要求和实际电路的情况来合适的选取电路元件，以下参数是设计前必须知道的：要求的输出电压、负载电流的最小值和最大值（或者负载的最大值和最小值）、输入电压的波动范围。图12-2（b）前面板及控件模板UzIzuiIzm图14-3稳压二极管稳压特性曲线14.2电路设计根据上面的情况，可以确定以下元件和参数的选取：①输入电压的确定：知道了要求的稳压输出，一般选为的2到3倍。也就是如果要获得10V的输出电压，那么整流滤波电路的输出电压应在二十几伏左右，然后选取合适的变压器，以提供合相应的电压。②稳压二极管的选择：稳压二极管的主要参数有三个：稳压值、最小稳定电流和最大稳定电流。14.2电路设计◆选择稳压二极管时，应首先根据要求的输出电压来选择稳压值UZ,使UO=UZ。确定了稳压值后，可根据负载的变化范围来确定稳定电流的最小值IZ和最大值IZM。一般要求额定稳定电流的变化范围大于实际负载电流的变化范围，即：◆同时最大稳定电流的选择应留有一定的余量，以免稳压二极管被击穿。综上所述，选择稳压二极管应满足：（14-3）maxminZMZLLIIII0maxminmaxZZMZLLZMLZUUIIIIIII14.2电路设计③限流电路R的选择：◆限流电阻的选取应是稳压管中的电流在额定的稳定电流范围内，即由图14-2可知：◆当电网电压最低且负载电流最大时，稳压管中流过的电流最小，应保证此时的最小电流大于稳定电流的最小值，即：ZDZZMIII(144)IZRZRLUUIRIIIImmaxinZLZUUIIR14.2电路设计可得限流电阻的上限值为：相反当电网电压最高且负载电流最小时，稳压管中流过的电流最大，此时应使此最大电流不超过稳定电流的最大值，即：根据上式可得限流电阻的下限值为：图12-3修饰子模块Immaxmax(145)inZZLUURIIImminaxZLZMUUIIRImminmin(146)axZZMLUURII14.2电路设计2）基本放大电路本设计没有采用电桥法测量铂电阻，是因为铂电阻测温采用单臂电桥，单臂电桥本身存在一定的非线性，为了避免电桥引入的非线性，所以采用放大电路测温。图14-4基本放大电路14.2电路设计基本放大电路的设计如图14-4，它可以分解为图14-5所示的两个简单的放大电路。图14-5分解后放大电路◆图14-5（a）的电路满足下面的关系：（14-7）（14-8）图12-4图标编辑413CCRUVR1112CCRVVRR14.2电路设计所以:（14-9）图14-5（b）为一电压跟随器，所以:（14-10）所以图14-22基本放大电路的输出电压为上述两电路输出电压的叠加，即:（14-11）由式14-11知，当V1，R1，R2，R3的值确定以后，Uo1的值与R4的值成比例。但图14-5（b）的产生的输出电压项是不希望有的，要在以后的矫正电路加以消除。4111312RRUVRRR21112RUVDDVRR41211131212ORRRUVVRRRRR14.2电路设计图12-7连接器和显示器件关联图14-6测量电路3）矫正环节◆虽然在图14-1的模型中温度的二次项系数很小，但仍存在一定程度的非线性。图14-6为铂电阻测温的总体电路。14.2电路设计◆其中由运放U3和电阻R8、R9、R15组成的反向比例放大器为电路引入负反馈，可使电路输出的线形度变好。4）输出范围的调节◆铂电阻的阻值小且变化范围小，为了使输出变化明显，总体电路中又加上了反向比例放大电路，调节RW3的值可以调节输出电压的范围。14.2电路设计14.2.3整体电路分析与设计◆铂电阻测温的整体测量电路如图14-6所示，它由上节所介绍的各部分电路所组成，其中RW1用于基本放大电路调零，RW2用于调线性，RW3用于调节电压放大倍数。D1为稳压值为10V的稳压二极管，其最大直流电流为143mA。下面我们来对电路进行分析，并确定电路的参数。14.2电路设计1)稳压环节分析将图14-6所示的稳压环节的输出端接一个负载电阻，如图14-7所示。为了确定这一负载电阻的大致范围，将与稳压环节相连的放大电路的输入端改接一个10V的直流源，然后对电路进行传递函数分析，其设置如图14-8所示，将新加入的直流源作为输入源（图中的vv11），电路的总输出端作为输出节点，接地端作为参考节点。传递函数分析的结果如图14-9所示，输入阻抗约为1.8KΩ。14.2电路设计图14-7稳压环节14.2电路设计图14-8传递函数分析设置14.2电路设计图14-9传递函数分析结果14.2电路设计◆将图14-7中的R2设为1.82Ω，然后对R1进行参数扫描，确定其取值。参数扫描的设置如图14-10所示，将R1从10Ω到1KΩ之间取10个扫描点，然后选择扫描直流工作点，输出节点为22点，其扫描结果如图14-11所示，R1应在120Ω到230Ω之间取值，才能保证稳压二极管工作在稳压状态，最后取R1为200Ω。14.2电路设计图14-10参数扫描分析设置14.2电路设计图14-11参数扫描分析结果14.2电路设计◆下面我们来分析电压跟随器在电路中的作用。将图14-7中运放的正输入端接一个10V的直流电压源，然后对修改后的电路进行传递函数分析，结果如图14-12所示，可见电压跟随器具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗。图14-12传递函数分析结果14.2电路设计◆对图14-7所示的电路进行参数扫描分析，观察负载电阻R2变化对输出电压的影响。使R2在1Ω到10KΩ之间均匀的取10个值，然后对输出节点22进行直流工作点扫描，结果如图14-13所示。将图14-7中的电压跟随器去掉，将负载电阻R2直接与稳压二极管稳压电路的输出端相连，然后仍按上面的设置对R2进行参数扫描分析，分析结果如图14-14所示。比较图14-13和图14-14可知，由于电压跟随器的输入电阻较大，则流过R1的电流基本全部流向稳压二极管，且电压跟随器隔离了负载电阻变化对二极管稳压电路的影响，所以加电压跟随器的稳压电路，在稳压范围内输出电压较稳定，且约等于10V。14.2电路设计图14-13带电压跟随器的稳压环节分析图14-14去掉电压跟随器的稳压环节分析14.2电路设计2)铂电阻温度特性分析◆在图14-6的总测量电路中，对铂电阻模块进行直流扫描分析，观察测量温度与铂电阻阻值的关系。直流扫描分析的设置如图14-15所示，扫描电源为模拟测量温度数值的电压源V1，扫描范围为0V～500V（即模拟0℃～500℃的变化），观察节点2和15间的电压差的变化（模拟铂电阻的变化）。直流扫描分析的结果如图14-16所示，其中实线为分析所得的数据，虚线为连接实线两端点所得的直线，可见铂电阻的阻值与温度的关系存在非线性。因此需要调节RW2来调节负反馈的程度，从而矫正输出电压与温度的非线性关系。14.2电路设计（a）分析参数页设置（b）输出页设置图14-15直流扫描分析设置14.2电路设计图14-16铂电阻与温度的关系14.2电路设计3)RW1作用分析◆将滑动变阻器RW1用一个任意大小的电阻代替，然后对该电阻进行参数扫描分析，观察RW1变化时，输出电压在什么时候接近于零。RW1阻值的扫描范围为1KΩ到100KΩ，从图14-17的分析结果可知，RW1取大约90KΩ左右时，输出端电压才接近于零，所以应取100KΩ的滑动变阻器来进行调零。最后调节滑动变阻器RW1使其两端阻值约为93.1KΩ。14.2电路设计图14-17RW1大小的确定14.2电路设计◆在去掉RW1的情况下对电路进行直流扫描分析，观察V1在0到100V扫描后输出电压的变化，结果如图14-18所示。加入滑动变阻器，并调整好滑动变阻器的大小后，再进行参数扫描分析，结果如图14-19所示。比较图14-18和图14-19可知，两条曲线基本平行，滑动变阻器调节后，当温度为0时输出电压为0，即RW1的作用为测量电路调零。14.2电路设计图14-18无RW1情况下直流扫描分析图14-19RW1调零后直流扫描分析14.2电路设计4）电路验证◆铂电阻在实际使用时都会有电流流过，电流流过会使电阻发热，使电阻阻值增大，为了避免这一因素引起的误差，一般流过热电阻的电流应小于6毫安。在铂电阻的连接回路添加测量探针，双击探针，在打开的属性对话框的参数页下选择要显示的参数，如图14-20所示。打开电路仿真按钮，探针中显示的铂电阻中流过的电流为4.77mA，符合要求，如图14-21所示。图14-20测量探针属性对话框14.2电路设计图14-21探针中显示结果14.2电路设计◆最后对电路进行仿真，记录仿真数据可得电路的输出电压与铂电阻的变化关系如图14-22，可以看到测量电路的输出线性度很好。100105110115120125130135140-0.500.511.522.53Rt（Ω）Uo(V)图14-22测量电路输出特性14.2电路设计14.2.4实验数据处理◆从0℃开始到100℃，电路每变化5℃读一次数，得表14-1实验数据。表14-1实验数据14.3LabVIEW虚拟仪器设计14.3.1数据显示子程序设计根据铂电阻随温度变化时，电压和温度的关系可设计数据显示子VI。由式14-2：所以（14-14）由铂电阻的测温范围知（14-15）525.847100.39684100tRTT25530.396840.3968445