电流型热电偶温度变送器的
设计
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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
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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2 XTR101芯片电路图
图中:I=(V-V)/Rs=ein/Rs;I=(V-V)/R;I=(V-V)/R( 14321333144
且I=I+I;I=I+0.1mA;I=I。 412314e
可导出:I=2ein/Rs+ein/1250+0.1mA (1-1) e
又因为R1两端电压和R2两端电压相等，即Ie?R=I?R， 52
可求得:I=II 59e
I=I+I=20I (1-2) 65ee
由(1-1)、(1-2)可导出:
I=I+2mA=(40/Rs+0.016Ω)ein+4mA o8
2(要点
分析
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(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。
浙公网安备 33021202002483