《加热炉平均温度检测》由会员分享，可在线阅读，更多相关《加热炉平均温度检测（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、信号变换综合设计课程设计（论文）题目：平均温度检测电路设计院（系） ：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：教师职称：起止时间：课程设计（论文）任务及评语院（系） ：教研室：学 号学生姓名专业班级课程设计 （论文） 题目平均温度检测电路设计课 程 设 计 （ 论 文 ） 任 务设计一个温度平均检测系统， 主要用于象管事加热炉等空间较大场合等温度 检测控制的系统。传感器采用热电偶等，根据所选传感器设计相应的信号处理、 放大、滤波等电路：设计警报电路。最后将温度信号转化为电压信号输出。根据 测量的温度，输出不同的电压； 电路板焊接后，采用万用表检测输出电压值即可。 （1）技术要求： 测量范围： 50
2、01200； 测量精度： 2； 信号输出： 1V5V电压。 传感器（敏感元件）：热电偶（多个热电偶并联） （2）说明书要求： 1. 格式规范，符合学校要求；2. 说明书中应有温度测量方法比较与方案论证，温度测量原理（公式）及具体的实现方案、电路器件型号、参数，设计说明等；3. 硬件电路应由 protel 绘制；4. 不能采用单片机设计。指 导 教 师 评 语 及 成 绩平时：论文质量 : 答辩：成绩：指导教师签字：年月日目录第 1 章绪论. 11.1 平均温度检测系统的概述 . 11.2 平均温度检测系统的设计目的与要求. 1第 2 章方案论证 . 12.1 系统设计方案论证 . 12.2 测
3、量系统构成 . 22.3 系统测温原理及实现方案 . 3第 3 章硬件电路设计 43.1 电路器件型号及参数 . 43.2 测量放大电路设计 . 53.3 电压值测量电路设计 . 63.4 报警电路设计 . 63.5 电源设计 . 73.6 误差分析 . 8第 4 章设计总结 . 8参考文献 9附录 I 9附录 II. 10附录 III . 10第 1 章绪论1.1 平均温度检测系统的概述温度是一个很重要的物理参数，自然界中任何物理。化学过程都紧密地与温度相联系。在工业生产过程中，温度检测和控制都直接和安全生产、产品质量生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此在国民经济的各个领域中都受
4、到普遍重视。温度检测仪表作为温度计量工具，因此也得到广泛应用。传感器是一种敏感器件，它能将被测物理量转换成便于测量和处理的另一种物理量。例如，光、声、磁、温度、压力等非电量通过传感器可转换成电压或电流，从而采用电子设备对其进行控制、 测量和处理。 传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。 在自动测量过程或控制系统中，首先由传感器感受被测量，而后把它转换成电信号，供显示仪表指示或用以控制执行机构。随着科学技术的发展，对温度的控制检测的要求越来越严格，因此， 温度检测系统的正确使用、合理设计、控制性能改善等对相关领域的发展有着十分重要意义。1.2 平均温度检测系统的设计目的与
5、要求设计一个温度平均检测系统，主要用于管式加热炉等环境要求均匀温度控制的系统。技术要求 :测量范围： 500 1200；测量精度： 2；信号输出： 1V5V 电压。传感器（敏感元件）：热电偶（多个热电偶并联）。说明书要求 :格式规范，符合学校要求；说明书中应有温度测量方法比较与方案论证，温度测量原理 （公式） 及具体的实现方案、电路器件型号、参数，设计说明等；硬件电路应由protel 绘制。第 2 章方案论证2.1 系统设计方案论证针对本设计的要求确定三套设计方案；一、使用镍铬 镍硅热电偶（K 型）作为传感器的敏感元件构成测量系统，使用三个镍铬 镍硅热电偶并联构成测量电路。二、使用铂铑30 铂
6、铑 6（B 型）作为传感器的敏感元件构成测量系统，使用三个铂铑 30铂铑 6 热电偶并联构成测量电路。三、使用金属热电阻作为传感器的敏感元件构成测量系统方案一中使用的镍铬镍硅热电偶（ K 型）是使用两最大的廉金属热电偶，用量为其他热电偶的总和。其使用温度为-200 1300。其优点为：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。但不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。方案二中使用的铂铑30铂铑 6（B 型）其长期最高使用温度达1600，短期最高使用温度为1800，其优点为：准确度高，稳定性好，测温温区
7、宽，使用寿命长等，使用于氧化和惰性气氛中也可短期用于真空中，但不适用与还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在0 50范围内热电势小于3uV。缺点为：热电率小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，而且贵金属材料昂贵。方案三中使用金属热电阻作为传感器的敏感元件构成测量系统，这里使用铂电阻作为敏感元件构成传感器系统。铂易于提纯，复制性好， 在氧化性介质中，甚至高温下起物理化学性质极其稳定。 但在还原性介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所沾污，使铂丝变脆，并改变它的电阻与温度的关系。此外它还是一种贵金属，价格较贵。通过以上介绍，根据本设计的具体要
8、求对三种方案进行比较可以看出：方案一中使用的镍铬 镍硅热电偶 （ K 型）更适合于本设计。因为它的特性可以符合本设计的要求抗氧化性强使用于高温加热炉等环境中使用而且价格便宜，可以大大降低设计成本。而方案二中使用的铂铑30铂铑 6 （B 型） 虽然个特性也均符合要求但是由于它属于贵金属材料价格昂贵，而且设计中要求使用多个并联而成，会大大增加设计成本，不适合使用。 方案三中使用的铂电阻显然不适合使用在加热炉这种高温情况下，其测量温度的范围小，达不到本系统的要求温度， 而且在高温环境下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所沾污，使铂丝变脆， 并改变它的电阻与温度的关系，所以不适合使用。综上所述，本设计选
9、用方案一作为设计方案，实现设计要求。2.2 测量系统构成本测量系统是由被测对象、传感器、测量放大电路、压值测量电路和报警电路构成。其系统结构图如图2.1 所示。图 2.1 测量系统结构框图2.3 系统测温原理及实现方案本设计应用热电偶作为敏感元件构成传感器系统，热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，它测温的基本原理是将两种不同材料的导体或半导体A 和 B 焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A 和 B 的两个执着点1和 2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电偶测温需要进行冷端补偿，可利用补偿导线、电桥
10、等方法实现。本设计要求应用测量平均温度，使用热电偶并联的方法构成，输入到后续电路的伏值为三个热电偶输出电动势的平均值，即E=（E1+E2+E3）/3(2-1) 如三个热电偶均工作在特性曲线的线性部分时，则代表了各点温度的算术平均值。其接线方法如图2.2 所示。21DCBR1R2R3t0t1t0 1t2t0 2t3U0图 2.2 热电偶测平均值的并联电路本设计应用补偿电桥法对热电偶实施冷端补偿。利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，不平衡电桥由电阻R1、R2、R3、Rcu四个桥臂和桥路稳压电源组成，串接在热电偶测量回路中。其接线方法如图2.3 所示。图 2.3
11、冷端温度补偿电桥通过上述热电偶测量电路测量后输出电压信号，再经过放大电路对其进行放大再通过压值测量电路对输出的电压值进行测量通过与要求信号大小的比较实现设计要求，当信号大小不符合要求时报警器工作，实施报警。第 3 章硬件电路设计3.1 传感器选型本设计中选用镍铬镍硅热电偶（ K 型）作为传感器的敏感元件构成测量系统。技术参数：供电电压： 24VDC ；输出形式： 420mA 、010mA、05VDC 、15VDC ；测温范围： 01300；允差 t： 1.5或 0.25t；引线：二线或三线；精度： 1 级、 0.5 级、 0.25 级；储存环境： -1060；传感器保护管直径：4、 5、6、8
12、、10、12、16、 20mm 不等。选型：选型编码：WZ/WR- X B L C ；根据本设计要求确定热电偶型号为：“WZCKLB”；此型号表示：此传感器为热电偶温度传感器，分度号为K：镍铬（ Ni90.5%,Cr9.5% ）-镍硅（ Ni95%,Si5% ）热电偶，采用螺纹式安装，接线方式采用防爆接线盒。3.2 测量放大电路设计测量放大电路使用稳零放大电路，又称为调制式放大电路。它是利用同步调制-解调，并由隔直电容隔离失调和干扰电压来实现自动稳零的。输入直流或缓慢变化的信号Ui 经调制器调制成频率较高的交流调幅信号，调制频率由方波发生器决定。调幅信号经交流放大器放大，最后由解调器解调输出放
13、大了的输入信号。由于信号在调制后与解调前均有隔直电容，因此隔离了失调和低频干扰电压。测量放大电路图如图3.1 所示图 3.1 测量放大电路上图中运算放大器N 为主放大器，输入信号Ui 的高频成分通过C3 、R3 构成高通滤波器后，与N 的失调电压U0s 一起输至N 的反相输入端。同时，Ui 的低频成分通过低通滤波器 R1、C1 滤除高频成分后，由电阻R2、模拟开关S1和隔直电容C2 构成的调制器解调，再通过低通滤波器R4 、C5 滤除斩波等高频成分后，输至N 的同相输入端。设输入信号0iU，电容 C3 开路，调制解调和放大器A 的总放大倍数为K，N 的开环放大倍数为1K，N 反相端电压为U，同
14、相端电压为U，则：U= SU0U=- KAU50RRRUUA)(10UUKU所以)1()/(1505101 0RRKURRRKKUKUSS(3-1) 可见，失调电压SU0的影响减小为1/K。3.3 电压值测量电路设计电压值测量电路如图3.2 所示。 AC 接入后， 经过半波整流，由R1 和 R2 产生分压， 对电路的电压进行比例式测量，以判断电路电压是否超过或者不足。21DCD2D4D3D1C1R2R1U01U02+5VUi图.3.2 电压值测量电路3.4 报警电路设计本设计报警电路为电压双向越限报警保护电路，能在电压高与或低于规定值时进行声光报警，并且可以自动切断电源避免由于温度过高是加热炉
15、等装置损坏。其电路原理图如图3.3 所示。图 3.3 报警电路电压一路由C3 降压， DW 稳压， VD6、VD7、C2 整流滤波输出12V 稳定的直流电压供给电路。另一路由VD1 整流、 R1 降压、 C1 滤波，在 RP1、RP2 上产生约10.5V 电压检测市电电压变化输入信号。门 IC1A、IC1B 组成过压检测电路，IC1C 为欠压检测， IC1D 为开关，IC1E、IC1F 及压电陶瓷片YD 等组成音频脉冲振荡器。三极管 VT 和继电器J 等组成保护动作电路。红色LED1 作市电过压指示，绿色管LED2 作市电欠压指示。电压正常时，非IC1A 输出高电平， IC1B、IC1C 输出
16、低电平， LED1 、LED2 均截止不发光， VT 截止， J 不动作，电器正常供电，此时B 点为高电平， F4 输出低电平， VD5 导通，C 点为低电平，音频脉冲振荡器停振，YD 不发声。当电压过压或欠压时，IC1B、IC1C 其中有一个输出高电平，使A 点变为高电位，VT 饱和导通， J 通电吸合，断开电器电源，此时B点变为低电位，IC1D 输出高电平， VD5 截止，反向电阻很大，相当于开路，音频脉冲振荡器起振， YD 发出报警声，同时相应的发光二极管发光指示。3.5 电源设计本电源设计为1.2537V 可调电源电路，它是可调式三端稳压器的典型应用电路，特点是：性能好、工作稳定、体积小、制作安装简单方便，最大输出电流为1.5A，输出电压在 1.2537V 连续可调。其电路图如图3.4 所示。图 3.4 电源电路上电路中， C3 用于滤除Rp 上的纹波，提高电源输出电压的稳定性，由于某种原因当LM317 的输出端与输入端短路时，C2 会通过 LM317 内部放电而损坏
