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信号1.2


本科生课程设计(论文)

课程设计(论文)任务及评语
院(系) :电气工程学院 学 号 设计题目 学生姓名 教研室: 专业班级

真空管式加热炉平均温度检测电路设计
设计任务:设计一个真空管式加热炉温度平均检测系统,用于管式加热炉内温度检测控 制的系统。传感器采用热电偶,根据所选传感器设计相应的信号处理、放大、滤波等电

路;设计报警电路。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;进行电路仿真,或进行电路板焊接。

课 程 设 计 ( 论 文 ) 任 务

技术要求: 测量范围:500℃~1200℃; 测量精度:±2℃; 信号输出: 1v ~ 5v 电压。 传感器(敏感元件) :热电偶(多个热电偶并联) 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;硬件电路应由 protel 绘制;不能采用 单片机设计。 3、按规定格式,撰写、打印设计说明书一份,详细阐述系统的设计过程,字数应 在 4000 字以上。

工 作 计 划

1、布置任务,查阅资料,理解掌握系统的设计要求。 天) (2 2、选择相应传感器、设计硬件电路图。 天) (2 3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。 天) (3 4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。 天) (2 5、撰写、打印设计说明书、答辩。 天) (1

指 导 教 师 评 语 及 成 绩

平时: 总成绩:

论文质量:

答辩:

指导教师签字: 年 月 日

注:成绩:平时40%

论文质量40%

答辩20% 以百分制计算

本科生课程设计(论文)

摘 要
随着现代化建设的不断深入和科技的不断发展, 加热炉的使用范围越来越广 泛。 因此加热炉温度平均检测系统是工业生产过程中经常遇到的检测项目,对有 些工艺过程的温度检测效果直接影响着产品的质量和产量。因此,温度检测技术 对炉温检测起着关键性的作用。 本设计是以真空管式加热炉为检测对象, 对真空管式加热炉的平均温度进行 检测。根据测温范围,选择 K 型热电偶温度传感器,通过三个热电偶并联来实现 平均温度的检测。 然后通过滤波电路, 滤除电路中的噪声, 再通过电压放大电路, 将热电偶输出的热电势进行放大,然后通过报警电路和 V/I 转换等一系列电路, 以实现对加热炉平均温度的检测。具有电路简单、系统性能稳定等优点。 关键词: 平均温度检测;K 型热电偶;冷端补偿;V/I 转换

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目录
第1章 第2章 绪论 ............................................ 1 系统方案论证 .................................... 1

2.1 概述 ........................................................ 1 2.2 方案论证 .................................................... 1

第3章

电路设计 ........................................ 2

3.1 热电偶冷端温度补偿电路设计................................... 2 3.2 放大电路设计 ................................................ 3 3.3 滤波电路设计 ................................................ 4 3.4 报警电路设计 ................................................ 6 3.5 V/I 转换电路设计............................................. 6

第4章 第5章

仿真与调试 ...................................... 8 总结 ........................................... 10

参考文献 ................................................ 11 附录 1 .................................................. 12 附录 2 .................................................. 13

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第1章

绪论

随着 21 世纪现代工业化程度的不断加深, 温度已成为工业对象控制中的一种 重要参数。它是一个很重要的物理量,自然界中任何物理、化学过程都紧密地与 温度相联系。在国民经济各部门,如电力、化工、冶金等各部门以及人们日常生 活中,温度检测与控制是十分重要的。 温度检测与控制必不可少的元器件就是传感器。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。 本设计用 K 型热电偶温度传感器, 通过三个热电偶并联来实现炉内平均温度 的检测。然后通过滤波电路,再通过电压放大电路,将热电偶输出的热电势进行 放大, 然后通过窗口电压比较电路和报警电路和 V/I 转换等一系列电路,以实现 对加热炉平均温度的检测。

第2章
2.1 概述

系统方案论证

本次设计主要是综合应用所学知识,设计真空管式加热炉平均温度检测系 统, 并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用课 程中所学的基本理论和基本方法,并初步掌握电路系统设计的基本方法。 应用场合: 应用于加热炉内 ,平均温度检测系统是通过热电偶传感器采集 温度信号,经过放大滤波电路,从而实现对温度的检测与控制。

2.2 方案论证
针对本次设计有两套设计方案: 方案 1: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。方案 1 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,镍铬为正极,镍硅为负极,用量 为其他热电偶的总和。该热电偶化学稳定性较高,可在氧化性或中性介质中长时 间的测量 900℃以下的温度,短期测量可达 1200℃。其优点为:线性度好,热电

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势较大,灵敏度较高,稳定性和复现性均好,抗氧化性强,价格便宜等,可用于 氧化性和惰性气氛中。 方案 2:使用铂铑 30—铂铑 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。方案 2 中使用的铂铑 30— 铂铑 6 型) (B 其长期使用的最高温度可达 1600℃, 短期最高使用温度为 1800℃, 它宜在氧化性和中性介质中使用,在真空中可短期使用,但不适用与还原性气氛 或含有金属或非金属蒸汽中。其优点为:准确度高,稳定性好,测温温区宽,使 用寿命长,抗污染能力强等。参比端不需进行冷端补偿,因为在 0~50℃范围内 其热电势小于 3uV。缺点为:热电率小,灵敏度低,高温下机械强度下降,而且 贵金属材料昂贵。 通过以上介绍, 根据本设计的具体要求对两种方案进行比较可以看出:方案 1 中使用的镍铬—镍硅热电偶(K 型)更适合于本设计。因为它的特性符合本设 计的要求, 其抗氧化性强且可在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 2 中使用的铂铑 30—铂铑 6(B 型)虽然其特性也基本 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。 综上所述,本设计选用方案 1 作为设计方案,从而实现设计要求。

温度 信号

热电偶

放大 电路

滤波 电路

报警电路

冷端温度补偿

V/I 转换 电路

图 2.1 系统总体框图

第3章

电路设计

3.1 热电偶冷端温度补偿电路设计
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。 热电偶测温是基于热电效应。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
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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 (3-1)

若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。 本设计应用补偿电桥法对热电偶实施冷端补偿。 补偿电桥法是利用不平衡电 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(锰铜丝烧制) 、Rcu(铜丝烧制)四个桥臂和桥路稳压电源 组成,串接在热电偶测量回路中, 热电偶冷端与电阻 Rc 感受相同的温度,通常取 20℃时电桥平衡,此时对 时, 角线 a,b 两点电位相等,电桥对仪表的度数无影响,即当 R1*R3=R2*Rc

U=0。在桥路设计时,使 R1=R2,并且 R1、R2 的阻值要比桥路中其它电阻大的多, 这样,即使电桥中其它电阻的阻止发生变化,左右两桥臂中的电流却保持不变, 其接线方法如图 3.1 所示。

R7

R4 1K

R5 1K

R6 1K

R1 a

R2 b

Rcu

R3

t1

t2

t3
图 3.1 热电偶冷端补偿电路

_

4V

+

3.2 放大电路设计
来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压。 一般采用差动输入集成运 算放大器来抑制它, 但是必须要求外接电阻完全平衡对称、运算放大器具有理想
3

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特性, 否则放大器将有共模误差输出,本设计采用同相串联结构型双运放高共模 抑制比放大电路来对电压信号进行放大,如图 3.2 所示。
-5 V
7

U1 2 6 3 Ui1 EL2 17 0
4

Uo

R9 1 00 K

+5V

R10
7

-5 V U2 1K 6 Uo1

2 3 Ui2
4

EL2 17 0 R11 1K +5V

R12 1 00 K

图 3.2 同相串联结构型双运放高共模抑制比放大电路

Uo1 ? Ui1 Ui1 ? Uo ? R11 ? 由电路可得: Uo1= ?1 ? ? ? *Ui 2 , R10 R9 ? R12 ?

所以

Uo ? (1 ?

R9 R11 R9 )*Ui1 ? (1 ? )* *Ui 2 R10 R12 R10

因输入共模电压 Uic=(Ui1+Ui2)/2,输入差模电压 Uid=Ui2-Ui1,可将上式改 写为:
Uo ? (1 ? R11* R9 1 2 R9 R11* R9 )*Uic ? (1 ? ? )*Uid R12* R10 2 R10 R12* R10 R12 R9 。此时电 ? R11 R10

为了获得零共模增益,上式等号右边第一项必须为零,可取 路的差动增益为 Kd ? 1 ? 极高的输入阻抗。

R9 ,由于采用了两个同相输入的运算放大器, 因而具有 R10

3.3 滤波电路设计
测量系统从传感器拾取的信号中,除了有价值的信息之外,往往还包含许多
4

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噪声以及其他与被测量无关的信号,并且原始的测量信号经传输、放大、各种形 式的变换、运算及各种其他处理过程,也会混入各种不同形式的噪声,从而影响 测量精度。这些噪声一般随机性很强,很难从时域中直接分离,但限于其产生的 物理机理,噪声功率是有限的,并按一定规律分布于频域中某一特定的频带中。 因此必须用滤波器将其分离出来,以保证测量的准确。低通滤波器是容许低于截 止频率的信号通过, 但高于截至频率的信号不能通过的电子滤波装置。本设计采 用压控电压源型低通滤波电路电压信号进行滤波。如 3.3 所示。

C1 R13 R14

+5V

7

U3 2 6 3 Uo2

4
-5 V R15 R16

C2

图 3.3 滤波电路

KpWo 2 由二阶低通滤波器的传递函数 H ( S ) ? 2 得: S ? ?WoS ? Wo 2
Wo ? 1 , R13R14C1C 2

?Wo ?

1 1 1 1 ? Kf ( ? )? C1 R13 R14 R14C 2

又因为
Kf ? 1 ? R15 R16

所以设截至频率 fp=2000Hz,增益 Av=2。因为增益 Av=2,即电路放大倍数 为 2,则同相比例放大电路的放大倍数为 Av=1+R15/R16,则 R15=R16,设 R15=R16=10K, 又因为

5

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Q?

C1C 2 R13R14 C1C 2 R13R14 ? ( R13 ? R14)C 2 ? R13C1(1 ? Auf ) ( R13 ? R14)C 2 ? R13C1

设 C1=C2=C,则

R13 R13 1 Q= 代入 Q= 得 R14=2*R13=2R,又由 R14 R14 2

Wo 1 fp ? ? 2? 2?

1 1 ? ? 2000HZ R13R14C1C 2 2 2? RC

-5

解得 C=5.627*10 *1/R ,所

以可以得到 C1=C2=0.01uF,R7=5.627K,R8=11.254K,R9=R10=10K。

3.4 报警电路设计
+5V

R17 4 7K

V1

L1

图 3.4 报警电路

报警电路由电阻,NPN 型三极管和蜂鸣器组成。NPN 型三极管起开关作用, 当其基极被给予高电平时,使三极管饱和导通,使蜂鸣器发声;当基极被给予低 电平时,三极管关闭,蜂鸣器停止发声。其电路如图 3.4 所示。

3.5 V/I 转换电路设计
V/I 转换器的作用是将电压信号转换成电流信号,它不仅要求输出电流与输 入电压具有线性关系, 而且还要求输出电流随负载变化所引起的变化量不超过允 许范围,即转换器具有恒流性能。如图 3.5 所示为 V/I 转换电路,它由运算放

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大器 N 及晶体管 V2、V3 组成。V2 构成倒相放大级,V3 构成电流输出级。Ub 为 偏置电压,用以进行零位平移。由于电路采用电流并联负反馈,一次具有较好的 恒流性能。
+5V

R23 +5V

7
N4 2 Un 6 3 Up R21 R20 V2

R18 Ub R19

V3

4
-5 V R24

R22

RL

io

图 3.5 V/I 转换电路

① 当只有输入电压 Ui 作用时,因 R22>>RL,故有 ② 当只有输出电流 io 作用时,
Up1 ? Un2 ?

Un1 ?

R 22 Ui R18 ? R 22

R18 io * RL R18 ? R 22

R19 io( RL ? R 24) R19 ? R 21 Up 2 ? R 21 Ub R19 ? R 21

③ 当在 Ub 作用下时,因 R21>>R24+RL,

如果运算放大器 N 的开环增益及输入电阻足够大,则 Up=Un=Up1+Up2=Un1+Un2。 设 R18=R19、R21=R22,则
io ? R21 (Ui ? Ub) R19 R24

7

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由于要求输出 4~20mA,则取 R19=100K,R21=20K,R24=125Ω 。此时若 Ub=0,对应 io=0~16mA。 为使输入 Ui=0V 时, 输出为 io=4mA, 要求 Ub=-io*R24*R19/R21=-2.5.

第4章

仿真与调试

本 设 计 使 用 的 K 型 热 电 偶 测 温 在 500 ℃ ~1200 ℃ 时 , 其 热 电 势 为 20.64mV~48.82mV,经同相串联结构型双运放高共模抑制比放大电路放大 100 倍 后,输出为 1~5V 之间的电压,经 V/I 转换电路转换后输出 4-20mA 电流。ui 为 0V 时的 V/I 转换电路。Ui 为 0V 时的 V/I 转换电路图和仿真图如图 4.1、4.2 所 示。Ui 为 5V 时的 V/I 转换电路图和仿真图如 4.3、4.4 所示。

+5V

+5V

1K R23

7

R18 1 00 K R19 1 00 K -2 .5 V

V3 2 Un 3 Up N4 6 R20 1 00 K V2

4

R21 2 0K -5 V 0 .12 5K R24 R22 2 0K

io 0 .1K RL

图 4.1 Ui 为 0V 时的 V/I 转换电路

图 4.2 Ui 为 0V 时的 V/I 仿真图

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+5V

+5V

1K R23

7

R18 1 00 K +5V R19 1 00 K

V3 2 Un 3 Up N4 6 R20 1 00 K V2

4

R21 2 0K -5 V 0 .12 5K R24 R22 2 0K

io 0 .1K RL

图 4.3 Ui 为 5V 时的 V/I 转换电路

图 4.4 Ui 为 5V 时的 V/I 仿真图

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第5章

总结

随着 21 世纪工业智能化和信息化的不断发展,在诸多领域,如食品、化工、 电力、石油、冶金、汽车、航天以至机械制造等领域内,温度常常是表征对象和 过程状态的重要参数。 掌握了对温度检测的设计方法等会对我们今后的工作及生 活起到至关重要的作用。 本次设计是以真空管式加热炉为检测对象, 采用了一系列传感器电路与测控 电路,对温度进行采样、滤波、放大、V/I 转换和报警等,从而实现了对真空管 式加热炉的平均温度的检测。 其具有电路简单、 系统性能稳定、 经济实惠等优点。 但由于本设计使用的运算放大器都设定在理想工作状态下的, 故其会对温度测量 结果产生影响。可以选用性能更加优异的运算放大器来解决。

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参考文献
[1] 张国雄,李醒飞.测控电路.第 4 版.北京:机械工业出版社,2011: 29 [2] 宋文绪,杨凡.传感器与检测技术.北京:高等教育出版社,2009:47 [3] 樊尚春.传感器技术及应用. 第一版.北京航空航天大学出版社.2004:126 [4] 方大千,鲍俏伟.实用电子控制电路.第一版.国防工业出版社. 2003:228 [5] 文小玲,曾涛.高精度温度检测系统[J].仪表技术与传感器.2007(8):46-50 [6] 张国雄,金篆芷.测控电路[M].机械工业出版社. 第一版.2000.9 [7] 武昌俊,自动检测技术及应用[M]。北京:机械工业出版社,2005 [8] 王亚峰, 何晓辉, 新型传感器技术及应用[M], 北京: 中国计量出版社, 2009 [9] 梁森,黄抗美,自动检测与转换技术(第二版)[M],北京:机械工业出版 2007

11

附录 1

+5V

R17 4 7K V1

L1 +5V

+5V
7

R23 C1
7

+5V +5V N3 2 6 3 Uo2 Ub
4 7

Ui1 2 6 3 R9
4

N1 Uo R13 R14

-5 V R15 b
7

R4

4

4

电路总图
-5 V C2 +5V R10 N2 Ui2 2 4V 3 R11 -5 V Uo1 + 6 R16 R12

12

R18 R19

N4 2 Un 6 3 Up R21 -5 V R20 V2

V3

R7

R5 1K

R6 1K

R1

R2

R24

1K R22

a

Rcu

R3

t1

t2

t3

-

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RL io

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附录 2
表 1.1 元器件清单 名称 定值电阻 定值电阻 定值电阻 定值电阻 定值电阻 定值电阻 定值电阻 定值电阻 电容 三极管 蜂鸣器 运算放大器 直流电压源 直流电压源 直流电压源 直流电压源 符号 R R R R R R R R C Q L U V V V V -2.5V 4V -5V +5V 大小 125 1K 2K 5K 10K 20K 47K 100K 0.01uF 型号 普通 普通 普通 普通 普通 普通 普通 普通 普通 2N930 BUZZER EL2180 普通 普通 普通 普通 个数 1 10 1 2 5 2 1 3 2 3 1 4 1 1 4 6

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