智能物体表面温度测试仪的设计

1　引　言

    在工业生产和科学实验中,常常需要测量物体表面的温度。例如各种发动机油管的表面,各种机械零件表面,化工管道表面,纺织、塑料、印染、造纸等行业用的卷筒表面,各种电机的表面等等,都需要测量其温度。

    物体表面的温度经传感器变成电信号,经放大,变频,进入ICL芯片,通过运算得以显示。结构框图如图1所示。

2　测量电路原理

    图2为测量电路原理图IC₁为基准电源,可造用MC1403,其输入电压范围为4·5~1·5V;输出电压为2·5±0·1V;温度系数小,为10PPM/℃;IC2可选ICL7650,其输入失调电压为±1μF,温漂为0·01μV/℃,Av≥120db,共模抑制≥120db;IC₃可选用低漂移运放,如国产5G7650等。

    图2中,取R₂=R₃,对IC₁的求和点根据希荷夫电流定律:

所以(4)式成为:

U₀不是近似而是精确与ΔR成线性关系,即U₀∝ΔR。这就把传感器温度的变化转换成了电压的变化。因此,由严格地线性变化制成的温度计是高精度的。

    选取传感器:测量物体表面温度,需要传感器和表面完全贴合,这就需要敏感元件柔软一些,国产Pt100软衬底薄膜热敏电阻是表面测温的一种良好器件。技术指标:0℃电阻Ro=100Ω;300℃电阻R300℃=213·79Ω;最大允许电流Imax≤1mA;时间常数ts≤1s;互换精度0·2%;年漂移量0·3‰;测量范围-100~300℃;以t=0℃时为参考点,温度变化0℃以上时,ΔR>0;温度变化为0℃以下时,ΔR<0;测温上限为300℃时,ΔR=213·79-100·00=113·79Ω,将数字电压表的量程定为2·000V。

    当温度上升到300℃时,输出电压最大,因此:

将MC1403输出端串联分压器电阻R₄—RP₂—R₅的电位器,RP₂中间抽头处的输出电压应调整在350mV左右,因此取R₄=10kΩ,R₅=1kΩ,RP₂=3·3kΩ。RP₂为多圈电位器,可旋转角度为1800℃因而可均匀地改变其电阻。

    R₀=100·0Ω,它是由R₁和RP₁串联而成。取R₁=91Ω,RP₁=15Ω(为多圈电位器)。

2.1　数字电压表电路

    上述已确定数字电压表的量程为2·000V,将测量电路的输出电压U₀直接输入到图3的输入端。

3　设计方法

    测量电路的设计参数应根据U₀=ΔR来考虑,Pt100的温度系数为正,即随着温度的上升,其阻值变大。图3为测试仪数字电路。

    传感器Pt100的测温范围为-100~300℃,也就是说Vin应小于2·000V,在数字电路部分采用ICL7106A/D转换器,当量程为2·000V时,V_REF应为1·000V。在测温过程中,应使U0<2·000V,因此V_REF可根据实际情况调至小于1V。