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二线制温度变送器的设计

时间:2007-07-25   来源:   作者:杨明欣 谢明元 杨玲   点击:……  字体大小:【

一、简介
    二线制温度变送器分别与热电偶和热电阻相配合,可以将温度信号线性地转换成4~20mA 直流标准输出信号。二线制温度变送器应具有如下主要特点:

  1. 二根线完成电源的输入及4~20mA直流电流输出, 即二根线既是电源线也是4~20mA标准信号输出线。
  2. 由于二线制一体化变送器安装在传感器接线盒中,所以必须有良好的可靠性、稳定性及较宽温度工作范围(0~85℃)和较小的温漂,同时要求体积尽可能小。
  3. 在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路,从而使变送器的4~20mA 输出信号和被测温度呈线性关系。
  4. 在热电偶温度变送器中,要进行冷端补偿,冷补范围0~100℃。

    变送器在线路结构上分为量程单元和放大单元两个部分,其中放大单元是通用的,而量程单元,则随品种、测量范围的不同而不同。设计电路结构如图1所示。
二线制温度变送器框图 
    图中粗线为电源线,细线为信号流程,两根外接导线既是电源线也是信号线。4~20mA 信号体制为二线制设计提供了可能性,当被测信号从下量程到上量程 (0%~100%)变化时,二根传输线上电流对应4~20mA 变化; 4mA作为变送器电路工作损耗电流,也易于识别断线断电故障。RL 为信号采样负载电阻(RL≤250W) 。V(AB) 须大于12V以保证系统的正常工作。 在电源正常(17~30V) 的前提下, 回路4~20mA电流I 由输入热电阻R 或热电偶mV信号确定。
    通过框图我们可以看到,首先,需要对信号源所产生的信号进行采集,然后将采集到的信号进行放大、线性化调整、调零调满,最后通过V/I 转换把线性反映温度大小的电压信号转化为电流信号I1(0~16mA),加上电路的4mA 静态工作电流I2 形成4~20mA 电流信号通过二线制电源线输出。对于热电偶变送器,采用一个小型CU50 热电阻来测量冷端的温度,进行冷端补偿。两种变送器都采用了LM124集成运放,它是四组独立的高增益的内部频率补偿运算放大器。它可以适应本电路单电源工作的要求,电源电压范围大,温度特性很好,性价比高,在后面电路中所用运放全都是LM124。

二、热电阻二线制变送器的设计
    热电阻二线制变送器详细电路图如图2(Pt100 为例)所示,下面就各部分工作原理作一下介绍。
热电阻二线制变送器电路图 
图2 热电阻二线制变送器电路图
1、信号采集电路
    热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度, 常用的有铂电阻Pt100、Pt10 铜电阻Cu50、Cu100 等。 其阻值与温度关系可通过分度号表查询。
    图中是以Pt100 热电阻为例(在这里,可以采用其他的热电阻,如Cu50、Cu100 等) ,TL431 是2.5V 稳压二极管,D2是一个保护二极管,防止输入电压反接可能带来的对电路的影响或者破坏。R1 是限流电阻,R2、R3、R4 与R5(Pt100)配合使用,组成一个电阻测量电桥。由于一体化二线制热电阻变送器安装在接线盒内,引线电阻忽略不计。R1、R2、R3、R4 可以确定下来(其值见图2),其中热电阻R5 随着温度变化而变化。R4 根据采用的热电阻分度号不同而取不同的值。如Pt100 测量时R4 取100W,Cu50 测量时R4取50W。电桥中间两点电压作为后续差动放大器的输入信号。分别为:
 
因R2=R3>>R4 及R5, 故:
 

2、一级放大电路和线性化调整电路
     该电路功能之一是把采集到的微弱信号放大,在本级电路中采取了差动放大。同时,与该放大电路连接在一起的还有一个正反馈非线性调整电路,它的主要功能是对热电阻与温度电阻间的非线性进行修正,保证放大器的输出电压被测温度成线性关系。R7、R8、R9 以及LM124 构成了放大电路。对于该局部电路,输入信号来自采集到的信号V 和V',输入信号分别各自经过R7、R8 进入LM124 的第一组运算放大器, 得到输出电压V1(在这里没考虑非线性调整电路即反馈回路R6 对电路输入的影响)。
V1=V'+ R9 (V-V')/R8
此外,在该电路中还有一个非常重要的部分,那就是线性化调节电路,即本电路中的R6。对于线性化调节的过程以及原理,我们可以用图3 加以解释。
 
    图中虚线表示没有进行线性化调节时输出电压随源温度变化时的曲线,图中实曲线则表示进行R6 非线性化调节的具体过程,随着温度升高,输出电压随之提高,正反馈影响增强,只要R6 阻值合适可刚好抵消热电阻本身非线性的影响,使得输出电压和温度为线性关系,即图3中直线所示。根据线性化调整原理,线性调整电阻R6 的反馈电压V反为:
 
则实际输出:
 
由于热电阻线性较好, 经计算调校本电路中R6=8.2k,热电阻非线性修正可以达到千分之二的精度。

3、调零、电源平衡及二级放大电路
    对零点进行调节的电路,实质上就是调节本级放大电压输出的大小, 保证在信号源零度(R5=100W, 第一级放大器输出为零)时整个回路电流I1=4mA。它由R10、R16、R13、W1 组成,实质上就是在本级电压输入正端叠加一个调零电压,使不足4mA 的静态工作电流达到4mA。此外,在该电路中,还有一个部分,那就是减小电源波动对电路输出的影响,即电路中的R15,它可以抑制电源波动带来的影响。当外界电压源发生较大的波动时(或负载电阻RL 变化),电路静态工作电流会发生微小变化,我们可以利用R15 来稳定输出电流。其工作原理一方面是电源增大带来静态电流增加,另一方面电源的增大通过R15 加到本级放大器的负端起到减法作用, 使本级输出电压下降, 选择合适的R15 阻值, 可以保证电源在允许范围内波动时输出电流的稳定。R17 决定二级放大倍数。

4、调满电路和V/I 转换电路
    调满电路是由R18、R20、W2组成的对上一级电压输出V2 分压构成。通过对W2 的调节,使得最后输出(信号源最高输入时整个电路的输出)达到要求的输出结果V(W2 中间抽头电压)。R21、R22、R23、R24、R25 及运放组成一个V/I 转换电路, 由于R22、R23、R24 均为200k的大电阻,R25 为100W的小电阻,整个电路电流输出I2≈V/R25。R26是一个负载电阻。

三、 热电偶二线制变送器电路设计
    热电偶二线制变送器电路和热电阻二线制变送器主要区别在于信号采集和非线性修正部分, 下面我们就这两部分别作介绍。
1、信号采集和一级放大电路
 
    热电偶的输出是随被测温度变化的mV信号。该局部电路设计如图4 所示。在电路中,TL431 的作用是输出稳定的2.5V。D0 是一个保护二极管,它可以保护电源输入正负反相对电路的危害。通过R3和TL431分压,使TL431 两端的工作电压保持在2.5V,并为后面的冷端补偿,为修正电路和调零电路提供直流电源。在此电路中,铜线绕制的热电阻Cu50 起冷端补偿作用。当热电偶的热电势E12随冷端温度的变化而变化时,铜电阻 Cu50 两端的电压也随之反方向变化,如果分压电阻R2的阻值选择适当,则Cu50 两端电压的变化能自动的补偿冷端温度变化对热电偶热电势的影响。根据冷端补偿的定义,应使50℃与0℃时Cu50 两端的电压差等于热电偶在50℃ 时的热电动势,当冷端温度为零度时存在的电压50/(R2+50)×2500mV通过后面的调零电路解决,以镍铬-镍硅(镍铝)热电偶(分度号K)测量变送范围0~1300℃为例,
K 分度50℃ 时输出热电势等于2.022mV 即:
 
由此可求得:R2=13k。
    电路中,热电偶mV信号和冷补铜电阻两端电压相加,经过R4 输入到LM124 的第一级放大器,根据放大器工作原理,我们可以得出输出电压(设包括热电偶及冷补之和的输入信号为V)V1=V(1+R6/R5)。 设计考虑使得当热电偶的温度达到最大值(1300 ℃ 对应热电势为52.398mV),放大器的输出电压为2.5V。也就是说,热电偶冷端温度为0℃ 时的电压加上热电偶的最大热电势,再乘以放大倍数应等于2.5V,即:
 
其中,K 为LM324 的放大倍数,由此可计算出K=40,如果取R4=R5=5.1k,则R6 应为180k。

2、线性化调整电路和二级放大电路
    该局部电路(这一级输出V2)是本电路中十分重要的环节,同时也是比较难的环节。因为它涉及到整个电路的线性调节。放大部分在前面已经叙述,现在就线性调节问题加以阐述。具体电路如图5 所示(图中几个二极管连接的电路就是线性修正电路)。电路中的R9、10、
R11、R13、R14、R15、R16 均为断开,只有在需要时,我们才加上该电阻。
 
    本电路是用一非线性放大电路去校正被测参数的非线性特性, 其原理就是由二极管补偿电阻组成的折线并联支路在输入信号的不同位置相续起作用, 使放大器在信号大小不同位置放大倍数不同, 其非线性特性刚好和被测热电偶非线性特性相反。在本电路中采用六个折点(三个为正三个为负), 折点的位置可改变支路二极管导通电压调整, 调整折线支路电阻大小可改变折线补偿斜率。在实际设计过程中,可取几个点进行修正,对于K 分度(检测范围0~1300℃),首先可以假定在0~100℃ 范围近似线性,非线性误差忽略不计,另外再取500℃、900℃、1300℃ 作为修正检测点,当检测点值在要求线性值以上,则表示输出值偏大,这就需要降低输出,具体措施就是连接D7~D12 中某一级调整电路;反之则连接D1~D6 中某一级调整电路。电路中拐点选择二极管可根据修正的需要选用硅管或锗管。调整方式如下:首先以0℃ 调零1000℃ 调满, 然后按以下顺序反复调校:
A 、对 100℃~500 ℃ 段非线性调整时,我们可以连接D1或者D12 这一级,然后调整R9或者R16 电阻大小来改变放大器的放大倍数,使其达到规定输出值。如果检测到输出值偏小,要选择R9 D1,计算调整R9 的阻值,促使本段运放放大倍数上升,直到输出电压增大到要求线性值。如果我们检测到输出值偏大,则需要选择R16 、D12。并调整R16阻值,促使本段运放放大倍数下降输出电压减小到要求线性值。
B 、在调节500 ℃~ 900℃段非线性调整时,我们可以连接D2、D3 或者D10、D11,然后调整R10 或者R15 的大小。
C、对900 ℃~ 1300℃ 段非线性调整时,根据检测点1300℃ 输出值偏大或偏小决定选择连接的是剩下两个折线补偿支路(三个二极管)的哪一路,方法同上。
    和热电阻变送器相同,在该电路中的R12 的作用是修正电源波动时对整个电路的影响。防止电压源不稳定造成4~20mA 波动。调零调满及V/I 转换电路也和热电阻相同在此不再赘述。

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