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1、2019/5/22,1,机电类 自动检测技术 第二章第5节 多媒体课件 统一书号： ISBN 978-7-111-34300-4 课程配套网站 www.sensor- 或 2017年4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,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
2、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： 0199.9 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
3、、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,温度控制误差控制设定为3。烘干温度在100130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 m199.91 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
4、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
5、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
6、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
7、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,类：煤矿井下用电气设备； 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T1T6六组。,根据指标及成本,综合考虑,本项目测温传感器选择: dBT2型Pt100隔爆型热电阻。,2测量桥路设计方案的选择,方案一：二线制电桥测量电路
8、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Uo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、引至测温电桥。
9、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25,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，R2R3R4等于R1的初始值(100)。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
10、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20k),以免影响电桥的线性度和灵敏度。取R5、R6=10k, RP1=1k。,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
11、。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) =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350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
12、大电路：只对b、d 两点的输入电压之差Uo1UdUb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1s。,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t100时，查Pt100分度表，得到R100=134.71,R2=R3=R4=100，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=25，忽略r1、r2、RP1的影响时，真正施加到三线桥
13、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t100时，放大器的输出电压为整数值，Uo21.00V，则要求:,减法放大器4个主要电阻阻值的确定,若希望t100时，放大器的输出电压Uo21.00V，则K=6.77倍。Rf的取值不能太小，一般应大于10k。,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1M 。 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100k，则R13=Rf的理论值约为677k，取标称值680k。,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
14、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,3,则K24倍。一般 100k R21 1k若R21取20k ，则 RP2+R21Rf280k,第二级放大器阻值的计算,上述Rf2为80k，再设RP2取Rf2的1/4，为20k ，则R22(Rf2-RP2)80-1070k，取标称阻值为68k 。,当RP2调节到0时，第二级的放大倍数为3.4倍； 当RP2调节到20k时，第二级的放大倍数为4.4倍。 输出电压的调节范围为：3.44.4V。,3,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50
15、Hz的干扰。滤波电路的时间常数RfCf应大于10T50Hz，即200ms。若R的单位为k，C的单位为F，则的单位为ms。,在上例中，设Rf280k ， 20T50Hz 400ms ， 则Cf5F， 可取标称值容量4.7F,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,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0.1F的磁介退耦电
16、容C3、C4，滤除电源上的尖峰干扰电压。,2019/5/22,32,三运放高共模抑制比电压放大电路的设计,理想的仪表放大器的输出电压仅取决于其输入端的两个对地电压U1和U2之差，即Uo=A(U2-U1) 公式（12-7）,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100200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
