電流型熱電偶溫度變送器的設計.doc

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1、電流型熱電偶溫度變送器的設計?一、前言熱電偶是工業(yè)上廣泛使用的溫度傳感器，它最大的優(yōu)勢就在于溫度測量范圍極寬，理論上從-270℃的極低溫度到2800℃的超高溫度都可以測量，并且實際應用中在600℃-2000℃的溫度范圍內可以進行最精確的溫度測量。在化工、石油、電力、冶煉等行業(yè)的自動化控制系統(tǒng)中熱電偶發(fā)揮著對溫度的監(jiān)控作用。因此我們開發(fā)設計出一套具有較高精度和穩(wěn)定性的實用性K型熱電偶溫度變送器。二、設計構架1．設計要求整套系統(tǒng)要求在0～100℃范圍對應輸出4mA～20mA的電流型溫度變送器。在實際的工業(yè)化需求中，往往需要設計為標準信號的變送器，以便與儀表和后續(xù)接口電路

2、兼容。在輸出為模擬信號時，有電壓型和電流型兩種變送器。電壓型變送器的輸出為0～5v，雖然其在信號處理方面具有優(yōu)勢，但抗干擾能力較差，在遠距離傳輸時信號衰減大，而電流型變送器卻在這方面獨具優(yōu)勢。因此在工業(yè)實踐中得以廣泛應用。通常，電流型變送器有輸出0～20mA和4～20mA兩種。對于輸出0～20mA的變送器，雖然電路調試及數(shù)據(jù)處理都比較簡單。但對于輸出4～20mA的變送器，能夠在傳感器線路不通時，通過是否能檢測到正常范圍內的電流，判斷電路是否出現(xiàn)故障，因此使用更為普遍。2．電路功能(1)信號的放大熱電偶測溫的原理是基于熱電轉換效應。雖然它集放熱、轉換為一體，能直接實現(xiàn)

3、溫度到電壓的輸出，但輸出幅度很微小。如K型熱電偶的靈敏度為0.04mv/℃。因此，對其信號必須進行放大。(2)溫度補償當熱電偶測溫時，其冷端溫度受環(huán)境變換影響較大，從而會影響最后測量的電信號。為了能得到穩(wěn)定的電信號，以便算出真實的待測溫度，需要對熱電偶的冷端進行溫度補償。3．原理框圖4．主要器件熱電偶作為感溫元件，采集溫度信號；鉑電阻作為補償電阻，補償熱電偶的冷端溫度；XTR101為小信號處理專用芯片，將輸入的微弱信號放大后便于遠端傳輸；RL為遠端的負載電阻，便于電信號的測量。三、具體電路的設計1．XTR101信號調理芯片為了得到穩(wěn)定的4mA～20mA的輸出電流，我

4、們選用常用的信號放大芯片XTR101。XTR101是一個精密、低漂移的雙線變送器，它可以把微弱的電壓信號進行放大并變換成4mA～20mA的電流信號后進行遠距離傳送。它由一個高精度的儀表放大器、壓控輸出電流源和2個精密的1mA電流源組成。其輸入管腳為：3、4；輸出管腳為：7、8；且；輸出范圍4mA～20mA；增益調節(jié)端為Rs端；電源端Vcc=24V。XTR101芯片電路圖如圖2所示，R1=1kΩ，R2=52.6Ω，R3=R4=1.25kΩ，Rs為調增益的電阻。圖2XTR101芯片電路圖圖中：I1=(V4-V3)/Rs=ein/Rs；I2=(V1-V3)/R3；I3=(

5、V1-V4)/R4．且I4=I1+I2；I3=I1+0.1mA；I4=Ie?？蓪С觯篒e=2ein/Rs+ein/1250+0.1mA(1-1)又因為R1兩端電壓和R2兩端電壓相等，即Ie·R=I5·R2，可求得：I5=I9IeI6=I5+Ie=20Ie(1-2)由(1-1)、(1-2)可導出：Io=I8+2mA=(40/Rs+0.016Ω)ein+4mA2．要點分析(1)增益調節(jié)Rs為增益調節(jié)電阻，調節(jié)Rs可使輸入電壓ein在從最小值變到最大值時使輸出電流Io從4mA變到20mA。即△I=16mA的輸出電流。需要注意的是：為使Io不超過20mA，當Rs=∞時，ei

6、n不應超過1V，而當Rs減小時，ein也應相應減小。(2)輸入偏置由于XTR101使用的是單電源，因此在正常工作時，信號輸入端應加+5V左右的偏置電壓。該電壓可利用2個內部參考電流源或其中之一通過一個電阻產生，如圖3中的R2。圖3熱電偶測溫電路由于2個輸入端都存在直流偏壓，這就相當于在放大器的輸入端存在一個共模電壓，XTR101的技術指標中已經包含了這部分誤差。如果偏置不是5V，而是另外一個共模電壓CMV，則會在輸入端引入(CMV-5)/CMRR的失調誤差(CMRR是共模抑制比)。(3)零點調整XTR101可以把任何范圍(小于1v)的電壓信號變換為4～20mA的輸出

7、電流，它的任務就是在輸入電壓最小時使輸出電流為4mA，即零點調整，也就是使零點能夠上下偏移。可利用圖3中的電阻R3和1mA的內部參考電流源在R3上所產生的壓降V3來作為偏移電壓進行零點調整。即調節(jié)R3，讓其在V3=(V3)min時，使ein=V4-(V3)min=0。(4)溫度補償當熱電偶測溫時，其冷端溫度受環(huán)境變換影響較大，從而會影響最后測量的電信號。為了能得到穩(wěn)定的電信號，以便算出真實的待測溫度，需要對熱電偶的冷端進行溫度補償。我們選用鉑電阻作為補償元件，是因為它在常溫下具有很好的穩(wěn)定性。設熱電勢為E(t，t0)，若冷端溫度t0變化t1后，熱電勢就變?yōu)镋(t