高精度水温测控系统

借鉴的水温测控系统

第15卷第3期重庆师范学院学报(自然科学版)1998年9月高精度水温测控系统

康　庆

(重庆师范学院物理学与信息技术系,重庆,

400047)

摘　要　介绍一种利用PN结作为温度传感器,采用三段加热实现的水温测控系统。具有温度测量准确、控制精度高、超调量小的特点,是一种较实用的水温测控系统。

关键词　PN结,测量,控制

中图法分类号　TP273

1　系统框图

系统框图如图1所示:

图1　高精度水温测控系统原理框图

2　电路组成

电路原理图如图2所示。

2.1　基准电压电路

由D1、D2、R1～R3、C1、BG1、IC1:A组成。该电路是为调零电路和温度预置电路提供稳定度较高的基准电压,其值大约为9.3V。

2.2　温度预置及调零电路

由R10～R16、R24、C4、IC1:B、IC2:B、IC2:C组成。该电路由IC2:B输出一个预置温度信号V1(小于0)作为误差信号电路的一个输入信号;由IC2:C输出一个调零信号作为系统调零用。预置和调零分别由R10和R24完成。

1998-01-12　收稿

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借鉴的水温测控系统

　　60重庆师范学院学报(自然科学版)第15卷

图2　高精度水温测控系统电路

2.3　检测电路

由R4、R5、D3、IC1:C、PN结、IC1:D组成。其中PN结为温度检测传感器;R4、R5、D3、IC1:C是恒流源,为PN结提供一个恒定的偏置电流,以提高水温检测的线性度及控制精度;IC1:D构成射随器,起隔离作用。

2.4　放大电路

由R6～R9、R25、C2、IC3:B组成。该电路把检测到的温度信号放大到需要的幅度,便于测量和控制。其增益由R25调节,输出为V2(大于0)。

2.5　显示电路

由单刀双掷开关K1、R26、R27、数字显示面板SMB-35组成。该电路用来显示预置温度和实际温度,SMB-35的输入信号校正为1mV/℃。

2.6　误差信号电路C、V2

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第3期康庆:　高精度水温测控系统　　61行叠加放大,得到一个误差输出信号V3。

如果|V1|>|V2|,表示实际温度低于预置温度,此时V3>0。

如果|V1|=|V2|,表示实际温度等于预置温度,此时V3=0。

如果|V1|<|V2|,表示实际温度高于预置温度(称为超调),此时V3<0。

2.7　锯齿波发生器

R21～R23、D4～D6、C5、IC2:D组成。该电路产生一个锯齿信号V4作为比较电路的一个输入信号。其幅度为R22和R21对电源电压的分压约为10V,周期为R23C5ln2。

2.8　比较、加热电路

由IC2:A、R28、D7、D8、固体继电器D9、1000W的电加热器组成。在误差信号V3和锯齿波信号V4的作用下,比较器的输出端输出一个脉冲宽度可变的脉冲信号V5,如图3所示

。

图3　电路工作波形示意图

如果V3>V4,则V5=-15V,固体继电器导通,电加热器加热。

如果V3≤V4,则V5=+15V,固体继电器截止,电加热器停止加热。

可见,通过V5控制固体继电器的通或断,达到了控制水温的目的。

3　测、控温原理

3.1　测温原理

温度测量实质上就是将水的温度通过PN结转换为电信号,再放大定标后显示出来,这个过程比较简单。

3.2　控温原理

如图3所示。首先预置一个控制温度T1(对应的电压为V1<0)。

如果实际温度小于T1,则V1及V2经过误差信号电路叠加放大后V3>0且其值大于锯齿波的幅度,此时,比较器IC2:A的输出V5恒为低电平(-15V),固体继电器导通,电加热器以最大功率(全功率)加热。

随着加热过程的进行,温度逐渐升高,V3逐渐下降,当下降到锯齿波幅度时进入起控点位置,当温度进一步升高,V3小于锯齿波幅度,V5为如图3所示波形,可以看出此时固体继,,,

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　　62重庆师范学院学报(自然科学版)第15卷平均功率越小(变功率加热)。

当温度等于或略高于预置温度量时,则V1及V2经过误差信号电路叠加放大后V3<0,比较器IC2:A的输出V5恒为高电平(+15V),固体继电器截止,电加热器零功率加热。

通过上述过程,系统将在预置温度上处于动态平衡,从而使水的温度稳定在预置点上。4　电路调试

4.1　SMB-35的调试

从右到左将第二位数的小数点点亮,输入100mV电压,调节其上的电位器到显示100.0为止。以与放大电路输出的1mV/℃的温度信号吻合。

4.2　调零

将PN结和一只标准温度计置于冰水混合物中,调节R24使数字面板显示为标准温度计指示的数值(此时温度大约为00.0℃)。

4.3　调沸点

将PN结仍和一只标准温度计置于沸水中,调节R25使数字面板显示为标准温度计指示的数值(此时温度大约为100.0℃)。

4.4　调起控点

微调R19可以改变起控点温度,从而达到调节系统的超调量的目的,在图2所示参数时,本系统的起控温度大约低于预置温度2℃。

以上过程反复进行几次,系统调试即告结束。

5　电路特点

5.1　电路精度较高,误差较小

测温范围0～100℃,误差为±0.1℃。

控温范围0～100℃,误差为±0.2℃。

5.2　温升快,超调量小

当实测温度远离预置温度时,实行全功率加热,温度升高快;当温度达到起控温度后,随着温度的升高,加热的平均功率越来越小,系统的超调量较小。

5.3　起控点温度可调

根据加热器的类型,适当微调起控点,既可以缩短升温时间,又可以减小系统的超调量,提高控制精度。如:采用热容量大的加热器(电炉),应适当增加起控温度;采用热容量小的加热器(水乌龟),可以适当减小起控温度。

5.4　说明

如果在加热过程中使用搅拌器搅拌,如果使被控系统与外界绝热,则对于本系统的性能将有大大的改善。本系统电加热器功率与水的容积有关,1000W功率对1L水加热较合适,其它场合参照修改。

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第3期康庆:　高精度水温测控系统　　636　元件选择

(1)D1、D3:双向稳压二极管2DW7C。

(2)D9:10A/400V的交流固体继电器。

(3)R6、R7、R11、R12、R17、R19、R26、R27:金属膜电阻;

(4)R10、R24、R25:精密电位器,特别R10最好用多圈精密电位器。

(5)IC1～IC3:TL084或性能更好的AM427(输入失电压25μV)。

(6)PN结:选用-2mV/℃的热敏二极管。

其它元件无特殊要求。

参考文献

1　阎石主编.数字电子电路.北京:中央广播电视大学出版社,1993.76～276

2　宋春荣,刘芳芳.通用集成电路速查手册.济南:山东科学技术出版社,1995.121,122,133,395

TheHighPrecisionSystemforMetering

andControllingWaterTemperature

KangQing

(Dept.ofPhysicsandInformationTechnology,ChongqingTeachersCollege,Chongqing,400047)

Abstract　Inthispaper,asystemformeteringandcontrollingwatertemperaturethatcon-tainsPNvinculumandadoptsthree-segmentsmodeisdesignedsuccessfully.Itisapracti-calsystemwhichmetersandcontrolswatertemperaturewithhighprecisionandsmallex-travasation.

Keywords　PNvinculum,meter,control