中心議題：
- 列出電流型熱電偶溫度變送器的設(shè)計(jì)構(gòu)架
- 介紹具體設(shè)計(jì)電路及對(duì)其進(jìn)行調(diào)試及測(cè)量
解決方案：
- 采用電流型變送器更合理
- 對(duì)熱電偶的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償，穩(wěn)定電信號(hào)
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(shì)就在于溫度測(cè)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(cè)量，并且實(shí)際應(yīng)用中在600℃-2000℃的溫度范圍內(nèi)可以進(jìn)行最精確的溫度測(cè)量。在化工、石油、電力、冶煉等行業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中熱電偶發(fā)揮著對(duì)溫度的監(jiān)控作用。因此我們開發(fā)設(shè)計(jì)出一套具有較高精度和穩(wěn)定性的實(shí)用性K型熱電偶溫度變送器。
設(shè)計(jì)構(gòu)架
a.設(shè)計(jì)要求
整套系統(tǒng)要求在0～100℃范圍對(duì)應(yīng)輸出4mA～20mA的電流型溫度變送器。
在實(shí)際的工業(yè)化需求中，往往需要設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器，以便與儀表和后續(xù)接口電路兼容。在輸出為模擬信號(hào)時(shí)，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(hào)處理方面具有優(yōu)勢(shì)，但抗干擾能力較差，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)信號(hào)衰減大，而電流型變送器卻在這方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。因此在工業(yè)實(shí)踐中得以廣泛應(yīng)用。
通常，電流型變送器有輸出0～20mA和4～20mA兩種。對(duì)于輸出0～20mA的變送器，雖然電路調(diào)試及數(shù)據(jù)處理都比較簡單。但對(duì)于輸出4～20mA的變送器，能夠在傳感器線路不通時(shí)，通過是否能檢測(cè)到正常范圍內(nèi)的電流，判斷電路是否出現(xiàn)故障，因此使用更為普遍。
b.電路功能
信號(hào)的放大
熱電偶測(cè)溫的原理是基于熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。雖然它集放熱、轉(zhuǎn)換為一體，能直接實(shí)現(xiàn)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(duì)其信號(hào)必須進(jìn)行放大。
溫度補(bǔ)償
當(dāng)熱電偶測(cè)溫時(shí)，其冷端溫度受環(huán)境變換影響較大，從而會(huì)影響最后測(cè)量的電信號(hào)。為了能得到穩(wěn)定的電信號(hào)，以便算出真實(shí)的待測(cè)溫度，需要對(duì)熱電偶的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
原理框圖
主要器件
熱電偶作為感溫元件，采集溫度信號(hào)；鉑電阻作為補(bǔ)償電阻，補(bǔ)償熱電偶的冷端溫度；XTR101為小信號(hào)處理專用芯片，將輸入的微弱信號(hào)放大后便于遠(yuǎn)端傳輸；RL為遠(yuǎn)端的負(fù)載電阻，便于電信號(hào)的測(cè)量。
具體電路的設(shè)計(jì)
a.XTR101信號(hào)調(diào)理芯片
為了得到穩(wěn)定的4mA～20mA的輸出電流，我們選用常用的信號(hào)放大芯片XTR101。
XTR101是一個(gè)精密、低漂移的雙線變送器，它可以把微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大并變換成4mA～20mA的電流信號(hào)后進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。它由一個(gè)高精度的儀表放大器、壓控輸出電流源和2個(gè)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(diào)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(diào)增益的電阻。
圖2 XTR101芯片電路圖
圖中：I1=(V4-V3)/Rs=ein/Rs；I2=(V1-V3)/R3；I3=(V1-V4)/R4．
且I4=I1+I2；I3=I1+0.1mA；I4=Ie。
可導(dǎo)出：Ie=2ein/Rs+ein/1250+0.1mA (1-1)
又因?yàn)镽1兩端電壓和R2兩端電壓相等，即Ie•R=I5•R2，
可求得：I5=I9Ie
I6=I5+Ie=20Ie (1-2)
由(1-1)、(1-2)可導(dǎo)出：
Io=I8+2mA=(40/Rs+0.016Ω)ein+4mA
b.要點(diǎn)分析
增益調(diào)節(jié)
Rs為增益調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)Rs可使輸入電壓ein在從最小值變到最大值時(shí)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(dāng)Rs=∞時(shí)，ein不應(yīng)超過1V，而當(dāng)Rs減小時(shí)，ein也應(yīng)相應(yīng)減小。
輸入偏置
由于XTR101使用的是單電源，因此在正常工作時(shí)，信號(hào)輸入端應(yīng)加+5V左右的偏置電壓。該電壓可利用2個(gè)內(nèi)部參考電流源或其中之一通過一個(gè)電阻產(chǎn)生，如圖3中的R2。
圖3熱電偶測(cè)溫電路
由于2個(gè)輸入端都存在直流偏壓，這就相當(dāng)于在放大器的輸入端存在一個(gè)共模電壓，XTR101的技術(shù)指標(biāo)中已經(jīng)包含了這部分誤差。如果偏置不是5V，而是另外一個(gè)共模電壓CMV，則會(huì)在輸入端引入(CMV-5)/CMRR的失調(diào)誤差(CMRR是共模抑制比)。
零點(diǎn)調(diào)整
XTR101可以把任何范圍(小于1v)的電壓信號(hào)變換為4～20mA的輸出電流，它的任務(wù)就是在輸入電壓最小時(shí)使輸出電流為4mA，即零點(diǎn)調(diào)整，也就是使零點(diǎn)能夠上下偏移。可利用圖3中的電阻R3和1mA的內(nèi)部參考電流源在R3上所產(chǎn)生的壓降V3來作為偏移電壓進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。即調(diào)節(jié)R3，讓其在V3=(V3)min時(shí)，使
ein=V4-(V3)min=0。
溫度補(bǔ)償
當(dāng)熱電偶測(cè)溫時(shí)，其冷端溫度受環(huán)境變換影響較大，從而會(huì)影響最后測(cè)量的電信號(hào)。為了能得到穩(wěn)定的電信號(hào)，以便算出真實(shí)的待測(cè)溫度，需要對(duì)熱電偶的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
我們選用鉑電阻作為補(bǔ)償元件，是因?yàn)樗诔叵戮哂泻芎玫姆€(wěn)定性。
設(shè)熱電勢(shì)為E(t，t0)，若冷端溫度t0變化t1后，熱電勢(shì)就變?yōu)镋(t，t1)，
即△E=E(t，t0)-E(t，t1)，鉑電阻就是用于對(duì)隨溫度變化的△E進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。將鉑電阻和熱電偶的冷端一同置于室內(nèi)環(huán)境溫度下，將熱電偶放入冰水混合液中。調(diào)節(jié)R3使輸入電壓為0mV，而在其后的各溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不再調(diào)節(jié)R3，雖然環(huán)境溫度會(huì)變化，對(duì)熱電偶有影響，但鉑電阻的阻值也會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化，導(dǎo)致其兩端的電壓改變，這種變化的電壓就是用于抵消熱電偶受溫度變化影響的電勢(shì)，從而達(dá)到補(bǔ)償目的。
我們選用分度號(hào)為100的鉑電阻，即在0℃時(shí)的電阻為100Ω，在266℃時(shí)的電阻為200Ω，所以鉑電阻的敏感系數(shù)為△R/△t=100Q/266℃，在溫度為t時(shí)刻時(shí)，鉑電阻的阻值Rpt=100Ω+(100Ω/266℃)t。
c.各參數(shù)的選擇計(jì)算
增益調(diào)節(jié)電阻
為了實(shí)驗(yàn)的調(diào)節(jié)方便，選擇溫度范圍：0℃～100℃。當(dāng)t=100℃時(shí)，Io=20 mA，RL選510Ω，所以URL=10.2V，這就需要調(diào)節(jié)Rs，即調(diào)節(jié)增益電阻。當(dāng)溫度為0℃時(shí)，熱電偶電壓E為0 mV，靈敏度為：0.04mV/℃。
當(dāng)溫度為0℃時(shí)，Io=4mA，ein=0mV；
當(dāng)溫度為100℃時(shí)，Io=20mA，ein=4mV。
根據(jù)公式(1-1)：△Io=(40/Rs+0.016/Ω)△ein
又因?yàn)椤鱅omax=20mA-4mA=16mA，△emax=4mV-0mV=4mV
所以有16 mA=(40/Rs+0.016/Ω)4mV
得Rs=10Ω
調(diào)零電阻和溫度系數(shù)補(bǔ)償電阻
將熱電偶的熱端置于100℃的溫度環(huán)境中，設(shè)此時(shí)環(huán)境溫度為20℃。由于熱電偶的溫度系數(shù)為0.04mv/℃，若其冷端感應(yīng)的溫度由20℃變化至100℃，則熱電偶兩端的電壓由3.2 mV變化至0mV，電壓差為3.2mv。這個(gè)差值應(yīng)由Rpt100和R1的并聯(lián)電阻兩端電壓自動(dòng)補(bǔ)償。
當(dāng)冷端溫度為20℃時(shí)，Rpt100=1000+(100Ω/266℃)*20℃=107.52Ω。
當(dāng)冷端溫度為100℃時(shí)，Rptl00=100Ω+(100Ω/266℃)*100℃=137.6Ω。
由：[137.6*R1/(137.6+R1)-107.52*R1/(107.52+R1)]*1mA=0.04mV/℃*(100-20)℃
可得：R1=51.7Ω。
根據(jù)公式：Io=(40/Rs+0.016/Ω)ein+4mA，和Io的輸出范圍：4mA～20mA當(dāng)T=0℃時(shí)，要使Io=4mA，就要調(diào)節(jié)R3，既調(diào)零電阻。將熱電偶熱端置于0℃的溫度環(huán)境中。此時(shí)環(huán)境溫度仍為20℃，即溫差為-20~C，熱電式E=-20℃•0.04mV/℃=0.8mV，3、4間的輸入信號(hào)ein=0mV，Rpt100(20℃)=100Ω+(100Ω/266℃)*20℃
=107.52Ω。
根據(jù)圖3，可得：
V4=E(t,t0)+1mA•[Rpt100(20℃)/(Rpt100(20℃)+R1)]
V3=1mA•R3
在0℃測(cè)量點(diǎn)(零點(diǎn))：V4=V3，
即：1mA•[107.52-51.7/(107.52+51.7)]-0.8 mV=1mA*R3
可推出：R3=34.11Ω
調(diào)試及測(cè)量
a.調(diào)試
調(diào)零。將熱電偶觸頭放入冰水混合液中，即0℃中。接上電源后，邊調(diào)節(jié)電位器R3，邊測(cè)RL兩端電壓，直至RL兩端電壓約為2.04V，即輸出電流Io為4 mA。
將熱電偶放入沸水中，接上電源后，邊調(diào)節(jié)電位器Rs，邊測(cè)RL兩端電壓，直至RL兩端電壓約為10.2V。即輸出電流10為20mA。
將熱電偶插入加熱爐內(nèi)的測(cè)試端，控制爐內(nèi)溫度，從0℃開始，每上升20℃，測(cè)量一次RL兩端電壓，直到100℃。
b.數(shù)據(jù)分析
在量程范圍內(nèi)等間距取樣5個(gè)點(diǎn)，分別按照正行程、反行程，測(cè)出輸出電流，其數(shù)據(jù)曲線如圖4所示，計(jì)算出線性度、靈敏度、重復(fù)性及遲滯。
(1)靈敏度S
S=△Y/△X=(20-4)/(100-0)=0.16mA/℃
(2)線性度δL
圖4理論直線為白色，實(shí)際特征曲線為紅色
δL=|16.71-16.80|/(20-4)×100％=0.56％
(3)重復(fù)性δK
δK=(16.78-16.65)/(20-4)×100％=0.81％
(4)遲滯δH
δH=(16.78-16.61)/(20-4)×100％=1.06％
(5)精度A
A=√(δL)2+(δK)2+(δH)2=1.44％
結(jié)論
這套熱電偶溫度變送器的測(cè)量精度達(dá)到1.44％，即滿量程誤差為1.44℃，完全能滿足實(shí)際要求。并且該系統(tǒng)選價(jià)適中，元件少，電路結(jié)構(gòu)清晰，性能穩(wěn)定，不僅能直接應(yīng)用于工業(yè)溫度測(cè)量，還將對(duì)以后傳感器教學(xué)、實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
