电流型热电偶温度变送器的设计

电流型热电偶温度变送器的设计一、前言热电偶是工业上广泛使用的温度传感器，它最大的优势就在于温度测量范围极宽，理论上从-270℃的极低温度到2800℃的超高温度都可以测量，并且实际应用中在600℃-2000℃的温度范围内可以进行最精确的温度测量。在化工、石油、电力、冶炼等行业的自动化控制系统中热电偶发挥着对温度的监控作用。因此我们开发设计出一套具有较高精度和稳定性的实用性K型热电偶温度变送器。二、设计构架1．设计要求整套系统要求在0～100℃范围对应输出4mA～20mA的电流型温度变送器。在实际的工业化需求中，往往需要设计为标准信号的变送器，以便与仪表和后续接口电路兼容。在输出为模拟信号时，有电压型和电流型两种变送器。电压型变送器的输出为0～5v，虽然其在信号处理方面具有优势，但抗干扰能力较差，在远距离传输时信号衰减大，而电流型变送器却在这方面独具优势。因此在工业实践中得以广泛应用。通常，电流型变送器有输出0～20mA和4～20mA两种。对于输出0～20mA的变送器，虽然电路调试及数据处理都比较简单。但对于输出4～20mA的变送器，能够在传感器线路不通时，通过是否能检测到正常范围内的电流，判断电路是否出现故障，因此使用更为普遍。2．电路功能(1)信号的放大热电偶测温的原理是基于热电转换效应。虽然它集放热、转换为一体，能直接实现温度到电压的输出，但输出幅度很微小。如K型热电偶的灵敏度为0.04mv/℃。因此，对其信号必须进行放大。(2)温度补偿当热电偶测温时，其冷端温度受环境变换影响较大，从而会影响最后测量的电信号。为了能得到稳定的电信号，以便算出真实的待测温度，需要对热电偶的冷端进行温度补偿。3．原理框图4．主要器件热电偶作为感温元件，采集温度信号；铂电阻作为补偿电阻，补偿热电偶的冷端温度；XTR101为小信号处理专用芯片，将输入的微弱信号放大后便于远端传输；RL为远端的负载电阻，便于电信号的测量。三、具体电路的设计1．XTR101信号调理芯片为了得到稳定的4mA～20mA的输出电流，我们选用常用的信号放大芯片XTR101。XTR101是一个精密、低漂移的双线变送器，它可以把微弱的电压信号进行放大并变换成4mA～20mA的电流信号后进行远距离传送。它由一个高精度的仪表放大器、压控输出电流源和2个精密的1mA电流源组成。其输入管脚为：3、4；输出管脚为：7、8；且；输出范围4mA～20mA；增益调节端为Rs端；电源端Vcc=24V。XTR101芯片电路图如图2所示，R1=1kΩ，R2=52.6Ω，R3=R4=1.25kΩ，Rs为调增益的电阻。图2XTR101芯片电路图图中：I1=(V4-V3)/Rs=ein/Rs；I2=(V1-V3)/R3；I3=(V1-V4)/R4．且I4=I1+I2；I3=I1+0.1mA；I4=Ie。可导出：Ie=2ein/Rs+ein/1250+0.1mA(1-1)又因为R1两端电压和R2两端电压相等，即Ie·R=I5·R2，可求得：I5=I9IeI6=I5+Ie=20Ie(1-2)由(1-1)、(1-2)可导出：Io=I8+2mA=(40/Rs+0.016Ω)ein+4mA2．要点分析(1)增益调节Rs为增益调节电阻，调节Rs可使输入电压ein在从最小值变到最大值时使输出电流Io从4mA变到20mA。即△I=16mA的输出电流。需要注意的是：为使Io不超过20mA，当Rs=∞时，ein不应超过1V，而当Rs减小时，ein也应相应减小。(2)输入偏置由于XTR101使用的是单电源，因此在正常工作时，信号输入端应加+5V左右的偏置电压。该电压可利用2个内部参考电流源或其中之一通过一个电阻产生，如图3中的R2。图3热电偶测温电路由于2个输入端都存在直流偏压，这就相当于在放大器的输入端存在一个共模电压，XTR101的技术指标中已经包含了这部分误差。如果偏置不是5V，而是另外一个共模电压CMV，则会在输入端引入(CMV-5)/CMRR的失调误差(CMRR是共模抑制比)。(3)零点调整XTR101可以把任何范围(小于1v)的电压信号变换为4～20mA的输出电流，它的任务就是在输入电压最小时使输出电流为4mA，即零点调整，也就是使零点能够上下偏移。可利用图3中的电阻R3和1mA的内部参考电流源在R3上所产生的压降V3来作为偏移电压进行零点调整。即调节R3，让其在V3=(V3)min时，使ein=V4-(V3)min=0。(4)温度补偿当热电偶测温时，其冷端温度受环境变换影响较大，从而会影响最后测量的电信号。为了能得到稳定的电信号，以便算出真实的待测温度，需要对热电偶的冷端进行温度补偿。我们选用铂电阻作为补偿元件，是因为它在常温下具有很好的稳定性。设热电势为E(t，t0)，若冷端温度t0变化t1后，热电势就变为E(t，t1)，即△E=E(t，t0)-E(t，t1)，铂电阻就是用于对随温度变化的△E进行自动补偿。将铂电阻和热电偶的冷端一同置于室内环境温度下，将热电偶放入冰水混合液中。调节R3使输入电压为0mV，而在其后的各温度点进行测量时，不再调节R3，虽然环境温度会变化，对热电偶有影响，但铂电阻的阻值也会随环境温度的变化而变化，导致其两端的电压改变，这种变化的电压就是用于抵消热电偶受温度变化影响的电势，从而达到补偿目的。