《基于温度器件检定的高精度温度控制系统的研究与实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于温度器件检定的高精度温度控制系统的研究与实现（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 东南大学硕士学位论文基于温度器件检定的高精度温度控制系统的研究与实现姓名:陈伟申请学位级别:硕士专业:检测技术与自动化装置指导教师:戴义保20060227摘要摘要随着现代化生产和科学研究的开展,人们对温度过程控制的要求越来越高。这就要求计量部门具有能建立具有更高的精度、稳定性和可靠性的恒定的温度场环境的温度控制系统。本文首先简要介绍了测温的方法、特点及测温铂电阻的特性。在此根底上结合系统的实际指标和要求设计开发了以单片机为核心的低本钱高精度温度控制系统。在硬件上,采用增强型.单片机作为控制仪的核心控制器件,并选用为系统的转换器,通过该器件完成了测温通道的自调零与自校正,使仪表的测温精度及准确
2、度根本上不依赖于零点失调和增益等因素;同时采用锁相环与分频器相结合,跟踪电网频率,从硬件上消除了电网频率变化对电阻炉输出的影响:采用显示器件,使人机交互更加的友好。在软件上,温度控制采用传统的控制算法实现,由于系列的单片机运算能力、运算速度较低。在计算程序设计中,全部采用了分段线性插值的方法来代替复杂的数据运算,以程序代码空间来换取运算的速度以及精度。温度控制仪表通过总线把数据传送到机上,上位机可以弥补下位机由于单片机内部资源的限制,不能保存大量的数据的缺陷。系统的上位机软件除了可以实现历史数据保存的功能之夕卜,还有查看数据和打印等功能。关键词:温度控制,单片机,线性插值东南大学硕士学位论文山
3、廿也 , .,妇啦印出】守 如。. . 血廿.廿 恤 ,工弓 乜. 髓咖. , “ . 血 街乜. 疗. ?.,台. , ., 汹 , 锄 曲 . . 胁廿 廿 .:廿,东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何奉献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名: 日期:盈丛:竺孤垒东南大学学位论文使用受权声明东南大学、中国科学技术信息研究所
4、、国家图书馆有权保存本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布包括刊登论文的全部或局部内容。论文的公布包括刊登授权东南大学研究生院办理。期:“.丝一躲址新徽尜学第一章概述第一章 概述.测温方法分类及其特点九根据传感器的测温方式,温度根本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触,两者进行充分的热交换,最后到达热平衡,此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等,温度计就可据此测出被测对象的温度。因此,接触式测温一
5、方面有测温精度相对较高,直观可靠及测温仪表价格相对较低等优点,另一方面也存在由于感温元件与被测介质直接接触,从而影响被测介质热平衡状态,而接触不良那么会增加测温误差;被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。根据测温转换的原理,接触式测温又可分为膨胀式、热阻式、热电式等多种形式。非接触式温度测量特点是感温元件不与被测对象直接接触,而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换,据此测出被测对象的温度。因此,非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布,热惯性小,测温上限可设计的很高,便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。两类测温方法的主要特点如下表.所示。方式 接触式非接
6、触式测量 感温元件要与被测对象良好接触:感温元件的加 需准确知道被测对象外表发射率:被测对条件 入几乎不改变对象的温度;被测温度不超过感温 象的辐射能充分照射到检测元件上元件能承受的上限温度:被测对象不对感温元件产生腐蚀测量 特别适合以下、热容大、无腐蚀性对象的 原理上测量范围可以从超低温到极高温,但范围连续在线测温,对高于 以上的温度测量较 以下,测量误差大,能测运动物体和困难 热容小的物体温度精度 工业用表通常为 通常为.、 、 级用表可达 级响应 慢,通常为几十秒到几分钟 快,通常为秒钟速度其它 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方 整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、特点 便
7、、价格低廉,仪表读数直接反映被测物体实际 价格昂贵;仪表读数通常只反映被测物体表温度;可方便地组成多路集中测量与控制系统 现温度需进一步转换;不易组成测温、控温一体化的温度控制装置热阻式测温方法基于热电阻测温原理是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质,将电阻值的变化转换为电信号,从而到达测温的目的。用于制造热电阻的材料,要求电阻率、电阻温度系数要大,热容量、热惯性要小,电阻与温度的关系最好近于线性;另外,材料的物理、化学性质要稳定,复现性好,易提纯,同时价格尽可能廉价。热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传与热电偶相比、无需参比温度;东南大学硕士学位论文金属热电阻稳定性
8、高、互换性好、准确度高,可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源鼓励、有自热现象以及测量温度不能太高。常用铂电阻传感器。铂电阻的电阻率较大,电阻一温度关系呈非线性,但测温范围广,精度高,且材料易提纯,复现性好;在氧化性介质中,甚至高温下,其物理、化学性质都很稳定。国标一规定,在一.温度范围内,以铂电阻温度计作为基准温度仪器。目前工业用铂电阻分度号为和,其中更为常用;铂电阻范围通常最大为.。铂电阻与温度的关系:当 一时五。 爿一当时爿四.一/ 一.一/ 一.一/。式中民为温度为零时铂热电阻的电阻值为,为为温度为时铂热电阻的电阻值;显然铂电阻适合用于高精度、较宽温度范围的测量。课题背景、意义及任
9、务内容.课题背景及意义吲随着工业生产和科学研究的开展,人们对温度测量及控制的要求越来越高,具体表现在温度测量控制的精度、稳定性、可靠生等方面。特别是在尚陛能、高精度的器件的生产、标准检测领域的应用、高要求的实验环境的建立等方面,都有高精度温度控制仪表的需求。高精度的温度控制仪表实现就必然离不开前端电路中高质量的温度传感器的使用。然而即使是同种条件、工艺下生产出来的传感器件,它们的性能指标也不尽相同。这就要通过对温度传感器的检定来实现。我国从年月日起开始对各级标准温度计进行改值,整个工业测温仪表的改值在年年底前全部完成,并从年元旦开始全面推行一新温标。对温度计或传感器的检定,有标准值法和标准表法
10、两种方法。标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点恒温作标准值,把被标定温度计或传感器依次置于这些标准温度值之下,记录下温度计的相应示值或传感器的输出,并根据国际温标规定的内插公式对温度计传感器的分度进行比照记录,从而完成对温度计的检定;被检定后的温度计可作为标准温度计来测温度。常用的另一种检定方法是把被检定温度计传感器与已被检定好的更高一级精度的温度计传感器,紧靠在一起,共同置于可调节的恒温槽中,分别把槽温调节到所选择的假设干温度点,比较和记录两者的读数,获得一系列对应差值,经屡次重复测试,假设这些差值稳定,就成了对被检定温度计的检定。本论文主要讨论高精度的恒温槽的温度控
11、制系统的设计,该系统能用于热电阻温度器件的检定。.温度控制系统的功能要求:温度控制系统主要分为两大局部:现场温度控制仪表和上位机程序。现场温度控制仪表主要用蔓二兰塑堕于建立标准的高精度温度场,并在标准温度下测量标准热电阻和被检定热电阻的阻值然后传送到上位机。上位机程序负责接受下位机的数据并以文件形式保存以供其它热电阻分析软件使用。、现场温度控制仪表:温度的测量和显示功能:对于恒温槽的温度的实时测量,显示实际的测量温度以及目标控制温度的值。工作参数的设定功能:温度控制现场仪表的工作参数可以重新设定,方便根据实际的工作环境选择最正确的工作参数。温度控制功能:输出控制采用可控硅调相调功方式,确保恒温
12、槽建立的温度精度能满足要求的指标;远程通信功能:现场温度控制仪表可以把测得的温度的值、工作参数、被测铂电阻的电阻值传送给上位机。现场故障诊断及故障显示功能:传感器和被测铂电阻开路或其它故障时,温度控制仪表能诊断出实际故障并显示出来。、上位机程序:串口通信功能:从机串口读取现场仪表传送上来的各项数据。界面显示:显示每台表的工作状态以及每台表所测量得到的温度值。历史数据的保存:把下位机传送上来的数据按年、月、日保存在机中可以供以后调档查看打印功能:可以打印历史数据,温度曲线。.温度控制系统的主要性能指标:输入种类:标准热电阻输入点数:个测点、个被测点温度控制范围:.测量误差:.温控稳定性:.显示:
13、显示通信接口:.论文的总体结构论文的总体章节安排如下:首先简要的介绍相关的背景以及论文的主要内容;第二章介绍了系统的总体方案;第三章介绍现场温度控制仪表的硬件电路;第四章介绍了现场温度控制仪表的软件设计:第五章介绍了上位机软件的设计;第六章介绍了系统抗干扰设计东南大学硕士学位论文第二章温度控制系统的总体设计.系统总体方案设计系统可以分为两个局部:上位机软件以及现场温度控制仪表。现场温度控制仪表主要功能是测量控制恒温槽的温度、测量待检定热电阻的阻值并可以通过总线传送到上位机上。上位机实现的主要功能是接收下位机的数据,并在机上显示和保存,同时还能提供历史数据显示以及数据图表的打印等功能。.现场温度
14、控制仪表的方案设计现场温度控制仪表的总体设计框图如图.所示,主要可以分为五个模块:前端测量模块、按键的人机交互模块、后端可控硅输出控制模块、电源主处理器模块、通信模块。、测量模块方案的选择】常用的铂电阻测量的方法主要有种:利用单电桥来测量电阻的阻值的变化;利用高精度的恒流源电位压将法来测量电阻的变化。利用电桥测量可以实现较高准确度的温度的测量,但是在实现.以上的精度的话,电桥本身的非线性,以及被测电阻接入单电桥作为一个桥臂以后,该桥臂中的接线电阻和接触电阻的数值可能与引起最小温度变化所对应的阻值在同一数量级,甚至还要大些。因此,如果采用单电桥的测量方法得到的测量结果将是极不可信的。恒流源压降法是一个恒流源与一个被测电阻相串联,通过测量电阻两端的压降就可以计算出被测电阻的阻值。这个测量的精度主要决定于电流源的精度。现在的带隙电压源以及齐纳稳压二极管都能生成很高精度的电压源能够满足实际的测量要求的精度,所以前端测量模块电路采用选用恒流第二章温度控制系统的总体设计源压降法。薹二?/显示调/、理/电厂/路 按键输入待 检宝?、。定/的传感匕器二刊输出控广叫电 、件网 ?/制电路 裂电路号?/输 /入、人机交互模块的选择准确、清晰、可靠的参数显示对于任何一种仪器来说都非常重要。一般来讲,常用的显示器件有:发光二极管显示器和液晶显示器。
