[三菱] 数字化温度测量的过程

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查看60149 | 回复0 | 2024-6-3 17:23:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
日常我们看到的工业温度是通过热敏电阻或热电偶等一些对温度敏感的测温原件和温度变送器,以及信号处理机构(处理器CPU)等经过一系列运算后显示出可读的温度值。通常测温敏感元件有铜、铂热电阻、热电偶等,温度变送器有电流型和电压型,电流型常用有0-10mA、4-20mA等,电压型常用有0-10V、0-5V等,CPU处理器有单片机、PLC等。这里就拿常用的PT100探头、4-20mA电流型变送器、PLC处理器的测温组合进行简单解说。首先我们简单的了解一下这个组合中的各个器件的能力和作用。本章知识面牵涉的专业知识点比较多比较广泛,故本章解说借用了大量网络科普知识点,本章最后部分均有罗列参考知识点及其相应的链接。认识PT100PT100:是一种热敏铂电阻,当PT100所处在0℃的环境时它的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系,而更应该趋近于一条抛物线(详见PT100温度与阻值对应关系表、关于PT100介绍来自于百度)。


   铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式:  -200<t<0℃ Rt=R0[1+At+Bt*t+C(t-100)t*t*t] (1)  0≤t<850℃ Rt=R0(1+At+Bt2) (2)  Rt为t℃时的电阻值,R0为0℃时的阻值。公式中的A,B,系数为实验测定。这里给出标准的   DINIEC751系数:A=3.9083E-3、 B=-5.775E-7、 C=-4.183E-12根据韦达公式求得阻值大于等于100欧姆的Rt -〉t的换算公式:   0≤t<850℃t=(sqrt((A*R0)^2-4*B*R0*(R0-Rt))-A*R0)/2/B/R0PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下:R=Ro(1+αT) 其中α=0.00392,R0为100Ω(在0℃的电阻值),T为摄氏温度<br>因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。1:Vo=2.55mA×100(1+0.00392T)=0.255+T/1000 。2:量测Vo时,不可分出任何电流,否则测量值会不准。电路分析由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,由于7.2V齐纳二极体的作用,使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为6.5V,靠5K可变电阻的调整可决定电晶体的射(集极)极电流,而我们须将集极电流调为2.55mA,使得量测电压V如箭头所示为0.255+T/1000。其后的非反向放大器,输入电阻几乎无限大,同时又放大10倍,使得运算放大器输出为2.55+T/100。6V齐纳二极体的作用如7.2V齐纳二极体的作用,我们利用它调出2.55V,因此电压追随器的输出电压V1亦为2.55V。其后差动放大器之输出为Vo=10(V2-V1)=10(2.55+T/100-2.55)=T/10,如果当前室温为25℃,则输出电压为2.5V。以上公式根据PT100的等级不同公式也有少许差异,详细计算公式和对应电阻值可参见:中华人民共和国铜铂热电阻计量检定规程。曲线和图表:

PT100/PT1000铂电阻RT曲线图表

以上介绍引用于百度百科详细介绍参见百度百科:PT100(百度百科)



通过上表我们可以发现PT100的温度与电阻值的关系并不是固定正比值关系变化的斜率也并不完全是一条直线,根据欧姆定律(百度百科):U=I*R那么我们固定U电压的值,测量出I电流的值,通过R=U/I可以推算出R的值的大小,通过R值的大小和标准温度下对应PT100值的大小就能够得到温度的值(参见本文中常用温度对应PT100电阻值表)。这个方法也是最简单最直接的温度测量方法。

也可以通过惠斯通电桥(惠斯通电桥百度百科)的方式来计算出电阻的大小。得到电阻值的大小就可以得到对应的温度值。

                 上图为惠斯通电桥原理图  常用温度对应PT100电阻值表:

  PT100在0℃环境下电阻值小实验视频(测量使用的并非专业电阻表、PT100也是计量后不合格更换下来的PT100、实验用冰水混合物处在近20℃的室温环境内,故所得实验测得数据并不一定准确会存在一定的误差):认识温度变送器从测温元件(热电偶、热电阻等)输出信号送到变送器模块,经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后,转换成与温度成线性关系的4~20mA电流信号0-5V/0-10V电压信号,再将电压或者电流信号转换为有对应关系的数字量信号(通常称为模拟量)输送至处理器采集机构通过处理器的运算把数字信号转换为对应的温度工程量(℃或℉等)输出。将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。温度变送器是将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表,主要用于工业过程温度参数的测量和控制。电流变送器是将被测主回路交流电流转换成恒流环标准信号,连续输送到处理器接收装置。
   温度电流变送器是把温度传感器的信号转变为电流信号,连接到处理机构上,从而显示出对应的温度。比如,图中该温度传感器的型号为PT100,那么温度电流变送器的作用就是把电阻信号转变为电流信号,输入处理机构,显示出温度值。

以上内容详细介绍参见百度百科:温度变送器、电流变送器、PT100温度变送器(详细)百度文库等相关内容。

温度测量原理

变送器将PT100的阻值变化转变为4-20mA的电流变化进行输出,输出的模拟信号给到数据处理机构(处理器),经过处理后将变送器给过来的4-20mA的电流信号转变为对应的数字量,即:5530—27648。经过运算处理后显示最终工程温度数值。

①模拟转变为数字量

如上我们已知:模拟量4-20mA对应数字量5530-27648可得出以下正比关系如图所示可以得出正比关系代入数值即可算出斜率:

(Y3-Y1)/ (X3-X1)=(Y2-Y1)/ (X2-X1)



如上条件也可用(Y3-Y1)/(X3-X1)算出对应系数a   解得系数:a=1382.375


     如上公式假如我们已知电流为18mA即可算出对应数字量确切数值如下:
(Y3-Y1)/(X3-X1)=(Y2-Y1)/(X2-X1)

Y2=[(Y3-Y1)*(X2-X1)/(X3-X1)]+Y1

即:Y2=[(27648-5530)*(18-4)/(20-4)]+5530

得出:Y2=24883.25

Y2≈24883由于数字量以整数形式出现,故此数据需要取整

也可使用最简单方法:Y2=X2*a

解得:Y2=24882.75≈24883
②数字量转变为工程量

同理处理器根据数字量和工程量(温度)值的实际上限和下限同样可得出数字量和工程量之间的正比关系选用数字量为5530~27648和工程量为-100℃~100℃的范围进行解读:

如图所示可以得出正比关系代入数值即可算出斜率:

(Y6-Y4)/ (X6-X4)=(Y5-Y4)/(X5-X4)

如上公式假如我们已知数字量即为即可算出对应工程量(即温度值)确切值如下:


如上公式假如我们已知数字量即为即可算出对应工程量(即温度值)确切值如下:



    条件假如下:

Y2=Y5   即Y5=24883

则:(Y6-Y4)/(X6-X4)=(Y5-Y4)/(X5-X4)

X5=[(Y5-Y4)*(X6-X4)/(Y6-Y4)]+X4

X5=[(24883-5530)*[100-(-100)]/(27648-5530)+(-100)

得出:X5=74.997

X5≈75℃

温度的整个测量过程的关键因素即为:

划重点

温度测量的整个过程实际上就是:工程量实际值(被测温度实际值)---电阻值---模拟量信号---数字量信号---工程量显示(温度显示)这一整个过程。

关于模拟量和工程量的详细介绍可以参见百度百科:模拟量、模拟量转换数字量公式、PLC工程量转换的方法等资料。

这一章有点多,也有点杂乱,知识点和信息量都比较大,如果能够搞明白这一系列的过程,那么下一章温度的偏移理解起来就极为简单了。


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