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作者: 楊明欣 謝明元 楊玲
一、簡介 二線制溫度變送器分別與熱電偶和熱電阻相配合,可以將溫度信號線性地轉(zhuǎn)換成4~20mA 直流標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。二線制溫度變送器應(yīng)具有如下主要特點(diǎn):
變送器在線路結(jié)構(gòu)上分為量程單元和放大單元兩個(gè)部分,其中放大單元是通用的,而量程單元,則隨品種、測量范圍的不同而不同。設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。 |
圖1:電路結(jié)構(gòu) |
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圖中粗線為電源線,細(xì)線為信號流程,兩根外接導(dǎo)線既是電源線也是信號線。4~20mA 信號體制為二線制設(shè)計(jì)提供了可能性,當(dāng)被測信號從下量程到上量程 (0%~100%)變化時(shí),二根傳輸線上電流對應(yīng)4~20mA 變化; 4mA作為變送器電路工作損耗電流,也易于識別斷線斷電故障。RL 為信號采樣負(fù)載電阻(RL≤250W) 。V(AB) 須大于12V以保證系統(tǒng)的正常工作。 在電源正常(17~30V) 的前提下, 回路4~20mA電流I 由輸入熱電阻R 或熱電偶mV信號確定。 通過框圖我們可以看到,首先,需要對信號源所產(chǎn)生的信號進(jìn)行采集,然后將采集到的信號進(jìn)行放大、線性化調(diào)整、調(diào)零調(diào)滿,最后通過V/I 轉(zhuǎn)換把線性反映溫度大小的電壓信號轉(zhuǎn)化為電流信號I1(0~16mA),加上電路的4mA 靜態(tài)工作電流I2 形成4~20mA 電流信號通過二線制電源線輸出。對于熱電偶變送器,采用一個(gè)小型CU50 熱電阻來測量冷端的溫度,進(jìn)行冷端補(bǔ)償。兩種變送器都采用了LM124集成運(yùn)放,它是四組獨(dú)立的高增益的內(nèi)部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器。它可以適應(yīng)本電路單電源工作的要求,電源電壓范圍大,溫度特性很好,性價(jià)比高,在后面電路中所用運(yùn)放全都是LM124。 |
二、熱電阻二線制變送器的設(shè)計(jì) 熱電阻Pt100 為例的二線制變送器詳細(xì)電路圖如圖2所示,下面就各部分工作原理作介紹。 |
圖2 :熱電阻二線制變送器電路圖 |
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熱電阻 Pt100 為例的二線制變送器的設(shè)計(jì) 1、信號采集電路 |
2、一級放大電路和線性化調(diào)整電路 該電路功能之一是把采集到的微弱信號放大,在本級電路中采取了差動放大。同時(shí),與該放大電路連接在一起的還有一個(gè)正反饋非線性調(diào)整電路,它的主要功能是對熱電阻與溫度電阻間的非線性進(jìn)行修正,保證放大器的輸出電壓被測溫度成線性關(guān)系。R7、R8、R9 以及LM124 構(gòu)成了放大電路。對于該局部電路,輸入信號來自采集到的信號V 和V',輸入信號分別各自經(jīng)過R7、R8 進(jìn)入LM124 的第一組運(yùn)算放大器, 得到輸出電壓V1(在這里沒考慮非線性調(diào)整電路即反饋回路R6 對電路輸入的影響)。 V1=V'+ R9 (V-V')/R8 此外,在該電路中還有一個(gè)非常重要的部分,那就是線性化調(diào)節(jié)電路,即本電路中的R6。對于線性化調(diào)節(jié)的過程以及原理,我們可以用圖3 加以解釋。 |
圖3:線性化調(diào)節(jié)的過程以及原理 |
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圖中虛線表示沒有進(jìn)行線性化調(diào)節(jié)時(shí)輸出電壓隨源溫度變化時(shí)的曲線,圖中實(shí)曲線則表示進(jìn)行R6 非線性化調(diào)節(jié)的具體過程,隨著溫度升高,輸出電壓隨之提高,正反饋影響增強(qiáng),只要R6 阻值合適可剛好抵消熱電阻本身非線性的影響,使得輸出電壓和溫度為線性關(guān)系,即圖3中直線所示。根據(jù)線性化調(diào)整原理,線性調(diào)整電阻R6 的反饋電壓V反為:![]() 則實(shí)際輸出: ![]() 由于熱電阻線性較好, 經(jīng)計(jì)算調(diào)校本電路中R6=8.2k,熱電阻非線性修正可以達(dá)到千分之二的精度。 3、調(diào)零、電源平衡及二級放大電路 |
三、 熱電偶二線制變送器電路設(shè)計(jì) 熱電偶二線制變送器電路和熱電阻二線制變送器主要區(qū)別在于信號采集和非線性修正部分, 下面我們就這兩部分別作介紹。 1、信號采集和一級放大電路 |
圖4:信號采集和一級放大電路 |
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熱電偶的輸出是隨被測溫度變化的mV信號。該局部電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。在電路中,TL431 的作用是輸出穩(wěn)定的2.5V。D0 是一個(gè)保護(hù)二極管,它可以保護(hù)電源輸入正負(fù)反相對電路的危害。通過R3和TL431分壓,使TL431 兩端的工作電壓保持在2.5V,并為后面的冷端補(bǔ)償,為修正電路和調(diào)零電路提供直流電源。在此電路中,銅線繞制的熱電阻Cu50 起冷端補(bǔ)償作用。當(dāng)熱電偶的熱電勢E12隨冷端溫度的變化而變化時(shí),銅電阻 Cu50 兩端的電壓也隨之反方向變化,如果分壓電阻R2的阻值選擇適當(dāng),則Cu50 兩端電壓的變化能自動的補(bǔ)償冷端溫度變化對熱電偶熱電勢的影響。根據(jù)冷端補(bǔ)償?shù)亩x,應(yīng)使50℃與0℃時(shí)Cu50 兩端的電壓差等于熱電偶在50℃ 時(shí)的熱電動勢,當(dāng)冷端溫度為零度時(shí)存在的電壓50/(R2+50)×2500mV通過后面的調(diào)零電路解決,以鎳鉻-鎳硅(鎳鋁)熱電偶(分度號K)測量變送范圍0~1300℃為例, K 分度50℃ 時(shí)輸出熱電勢等于2.022mV 即: ![]() 由此可求得:R2=13k。 電路中,熱電偶mV信號和冷補(bǔ)銅電阻兩端電壓相加,經(jīng)過R4 輸入到LM124 的第一級放大器,根據(jù)放大器工作原理,我們可以得出輸出電壓(設(shè)包括熱電偶及冷補(bǔ)之和的輸入信號為V)V1=V(1+R6/R5)。 設(shè)計(jì)考慮使得當(dāng)熱電偶的溫度達(dá)到最大值(1300 ℃ 對應(yīng)熱電勢為52.398mV),放大器的輸出電壓為2.5V。也就是說,熱電偶冷端溫度為0℃ 時(shí)的電壓加上熱電偶的最大熱電勢,再乘以放大倍數(shù)應(yīng)等于2.5V,即: ![]() 其中,K 為LM324 的放大倍數(shù),由此可計(jì)算出K=40,如果取R4=R5=5.1k,則R6 應(yīng)為180k。 2、線性化調(diào)整電路和二級放大電路 該局部電路(這一級輸出V2)是本電路中十分重要的環(huán)節(jié),同時(shí)也是比較難的環(huán)節(jié)。因?yàn)樗婕暗秸麄€(gè)電路的線性調(diào)節(jié)。放大部分在前面已經(jīng)敘述,現(xiàn)在就線性調(diào)節(jié)問題加以闡述。具體電路如圖5 所示(圖中幾個(gè)二極管連接的電路就是線性修正電路)。電路中的R9、10、 R11、R13、R14、R15、R16 均為斷開,只有在需要時(shí),我們才加上該電阻。 |
圖5:線性化調(diào)整電路和二級放大電路 |
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本電路是用一非線性放大電路去校正被測參數(shù)的非線性特性, 其原理就是由二極管補(bǔ)償電阻組成的折線并聯(lián)支路在輸入信號的不同位置相續(xù)起作用, 使放大器在信號大小不同位置放大倍數(shù)不同, 其非線性特性剛好和被測熱電偶非線性特性相反。在本電路中采用六個(gè)折點(diǎn)(三個(gè)為正三個(gè)為負(fù)), 折點(diǎn)的位置可改變支路二極管導(dǎo)通電壓調(diào)整, 調(diào)整折線支路電阻大小可改變折線補(bǔ)償斜率。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,可取幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行修正,對于K 分度(檢測范圍0~1300℃),首先可以假定在0~100℃ 范圍近似線性,非線性誤差忽略不計(jì),另外再取500℃、900℃、1300℃ 作為修正檢測點(diǎn),當(dāng)檢測點(diǎn)值在要求線性值以上,則表示輸出值偏大,這就需要降低輸出,具體措施就是連接D7~D12 中某一級調(diào)整電路;反之則連接D1~D6 中某一級調(diào)整電路。電路中拐點(diǎn)選擇二極管可根據(jù)修正的需要選用硅管或鍺管。調(diào)整方式如下:首先以0℃ 調(diào)零1000℃ 調(diào)滿, 然后按以下順序反復(fù)調(diào)校: A 、對 100℃~500 ℃ 段非線性調(diào)整時(shí),我們可以連接D1或者D12 這一級,然后調(diào)整R9或者R16 電阻大小來改變放大器的放大倍數(shù),使其達(dá)到規(guī)定輸出值。如果檢測到輸出值偏小,要選擇R9 D1,計(jì)算調(diào)整R9 的阻值,促使本段運(yùn)放放大倍數(shù)上升,直到輸出電壓增大到要求線性值。如果我們檢測到輸出值偏大,則需要選擇R16 、D12。并調(diào)整R16阻值,促使本段運(yùn)放放大倍數(shù)下降輸出電壓減小到要求線性值。 B 、在調(diào)節(jié)500 ℃~ 900℃段非線性調(diào)整時(shí),我們可以連接D2、D3 或者D10、D11,然后調(diào)整R10 或者R15 的大小。 C、對900 ℃~ 1300℃ 段非線性調(diào)整時(shí),根據(jù)檢測點(diǎn)1300℃ 輸出值偏大或偏小決定選擇連接的是剩下兩個(gè)折線補(bǔ)償支路(三個(gè)二極管)的哪一路,方法同上。 和熱電阻變送器相同,在該電路中的R12 的作用是修正電源波動時(shí)對整個(gè)電路的影響。防止電壓源不穩(wěn)定造成4~20mA 波動。調(diào)零調(diào)滿及V/I 轉(zhuǎn)換電路也和熱電阻相同在此不再贅述。 |
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標(biāo)簽:溫度變送器
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