热电偶温度变送器课程设计

课程设计大纲
学院名称
课程名称
开课教研室
执笔人
审定人
修（制）订日期
山东轻工业学院
课程设计任务书
一、主要内容
设计一个带冷端补偿的温度变送器。

其中我们用K型热电偶作为感温元件，用
Gu作为冷端的自动补偿电路的元件，使冷端工作在一个易于计算的环境下，用100
XTR101把传感器的电压信号放大并自动地变换成标准电流信号。

并通过对输出电压的
测量实现对温度的测量。

二、基本要求
（1）设计测量温度范围-100～500°C的热电偶传感器。

（2）选用合适的热电偶材料，设计测温电路，冷端补偿电路，解决非线性化等问
题。

（3）有电路图（protel绘制），选型与有关计算，精度分析等。

（4）采用实验室现成的热电偶进行调试。

（5）完整的实验报告。

三、主要参考资料：
赵广林. protel99电路设计与制版.北京：电子工业出版社，2005
程德福,王君.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，2007
完成期限：自2010 年12 月27 日至2010年12 月31 日指导教师：教研室主任：
目录
一、设计目的目的 (4)
二、课程设计的任务要求 (4)
三、课程设计的基本原理 (4)
1、热电偶测温原理 (4)
2、变送器原理框图 (4)
四、课程设计的主要内容 (5)
1、热电偶的选择 (5)
2、设计构架 (6)
3、具体电路的设计 (7)
五、课程设计的心得与体会 (12)
六、参考文献 (12)
附图 PCB布线图 (13)
热电偶温度变送器设计
一、课程设计的目的
1、掌握热电偶的结构、工作原理及正确选择。

2、了解变普通送器的结构及简单应用。

3、通过设计增加对所学知识的灵活掌握和综合应用能力。

二、课程设计的任务要求
任务要求：
（1）设计测量温度范围-100~500℃的热电偶传感器
（2）选用合适的热电偶材料，设计测温电路，冷端补偿电路，解决非线性化等问题
（3）有电路图（PROTEL绘制），选型与有关计算，精度分析等
（4）采用实验室现成的热电偶进行调试
三、课程设计的基本原理
1、热电偶测温原理：
下图为热电偶测温原理图，热电偶的热端与被测物体接线，温度为t。

A
图1 热电偶测温原理图
电偶是一种感温元件，是一种仪表。

它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势。

热电偶的冷端放在冰水混合液中，整个回路的电动势由右边的毫伏表读出，以此读数查表即可得热端被测物体的温度。

但测温方法有很多缺点，如冷锻必须为0℃，电路电动势为毫伏级，不易测量等，故设计热电偶温度变送器。

该变送器将对冷端进行补偿，并将电动势值放大，其测温范围为-100～500℃。

2、变送器原理框图
图2变送器原理框图
四、课程设计的主要内容
1、热电偶的选择
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。

热电偶主要有以下几种标准化的型号：
⑴（S型热电偶）铂铑10-铂热电偶
⑵（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶
⑶（B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶
⑷（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶
⑸（N型热电偶）镍铬硅-镍硅热电偶
⑹（E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶
⑺（J型热电偶）铁-铜镍热电偶
⑻（T型热电偶）铜-铜镍热电偶
本次课程设计选用（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶，此热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。

正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-200~1300℃。

其主要特点：
（1）K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。

广泛为用户所采用。

（2）K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。

2、设计构架
（1）设计要求
整套系统要求在-100～500℃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】温度补偿
图 3 补偿电路
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偿。

【2】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。

【3】主要器件
A、热电偶作为感温元件，采集温度信号；
B、铜电阻作为补偿电阻，补偿热电偶的冷端温度；
C、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；
D、RL负载电阻，便于电信号的测量。

3、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通用型变送器单片模块电路，可把传感器的电压信号自动地变换成标准电流信号。

内含一个高精度的仪表放大器、一个电压/电流变换器和二个相同的1mA精密恒流源基准。

该电路失调电压低，最大为30uV，漂移小，最大为0.75uV/℃，外接元件可适于远程信号传输变换和热电偶、电阻温度计、热敏电阻以及应变计电桥登多种工作状态的变送器电路。

实际应用时，应在输出端外加一个功率管，使工作时的热源外移，以保证其工作稳定性。

传感器的电压信号由3、4脚输入，5、6脚外接电阻Rs可以调节输出满幅度，1、2、14脚外接电位器组成出示调零电路，10、11脚分别输出两个1mA恒流，可以用于传感器供电，8脚接电源正端（也且是环流注入端），7脚通过负载电阻RL接电源负极（也是环流信号输出端），12、8、9可外接功率管。

XTR101两线制变送器的优点是抗干扰能力很强，长期运转导致的压降、电机噪音、继电器、电力拖动装置、电器开关、电流互感器和工作设备电源的频繁切换启动均无影响。

它的工作温度范围为-40℃至80℃。

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4 XTR101芯片内部电路图
(43)
1V V Ein
I Rs Rs -=
=；(13)23V V I R -=；(14)34
V V I R -=。

且412I I I =+;310.1;4I I mA I Ie =+=。

可导出：20.11250
Ein
Ein
Ie mA Rs =++ （1—1）
又因为R1两端电压和R2两端电压相等，即52Ie R I R •=• 可求得：59I I Ie =⨯ 620I Ie = （1—2） 有上式可导出：400(0.016)4I Ein mA Rs
=++
(2)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所需电压。

如图3中的R2。

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。

图5 热电偶测温电路
【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4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。

我们选用铜电阻作为补偿元件，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)，铜电阻就是用于对随温度变化的△E进行自动补偿。

将铜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，但铜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。

我们选用分度号为100的铜电阻，即在0℃时的电阻为100Ω，在100℃时的电阻为142.80Ω，所以铜电阻的敏感系数为△R/△t=42.8Q/100℃，在温度为t时刻时，铜电阻的阻值Cut=100Ω+(42.8Ω/100℃)t。

（3）各参数的选择计算
【1】增益调节电阻
因为设计要求，选择温度范围：-100℃～500℃。

当t=500℃时，Io=20 mA，RL选510Ω，所以URL=10.2V，这就需要调节Rs，即调节增益电阻。

当温度为0℃时，热电偶电压E为0 mV，灵敏度为：0.053mV/℃。

当温度为-100℃时，Io=4mA，Ein=0mV；
当温度为500℃时，Io=20mA，Ein=31.8mV。

根据公式(1-1)：△Io=(40/Rs+0.016/Ω)△Ein
又因为△Iomax=20mA-4mA=16mA，△Emax=31.8mV-0mV=31.8mV
所以有16 mA=(40/Rs+0.016/Ω)31.8mV
得Rs=77Ω
【2】调零电阻和温度系数补偿电阻
将热电偶的热端置于500℃的温度环境中，设此时环境温度为20℃。

由于热电偶的温度系数为0.053mv/℃，若其冷端感应的温度由20℃变化至100℃，则热电偶两端的电压由3.2 mV变化至0mV，电压差为3.2mv。

这个差值应由Cut100和R1的并联电阻两端电压自动补偿。

当冷端温度为20℃时，Cu t100=100Ω+(42.8Ω/100℃)*20℃=108..56Ω。

当冷端温度为100℃时，Cu tl00=100Ω+(42.8Ω/100℃)*100℃=148.8Ω。

[148.8*R1/(148.8+R1)-108.56*R1/(108.56+R1)]*1mA=0.053mV/℃*(100-20)℃ 可得：R1=61.3Ω。

根据公式：Io=(40/Rs+0.016/Ω)Ein+4mA ，和Io 的输出范围：4mA ～20mA 当T=-100℃时，要使Io=4mA ，就要调节R3，既调零电阻。

将热电偶热端置于0℃的温度环境中。

此时环境温度仍为20℃，即温差为-20℃，热电式E=-20℃·0.053mV/℃=1.06mV ， 3,4 间的信号输入 Ein=0mV ，Cu 100(20℃)=100Ω+(48.8Ω/100℃)*20℃=109.6Ω 根据图3，可得：
V4=E(t,t0)+1mA·[Cu 100(20℃)/(Cu 100(20℃)+R1)]
V3=1mA·R3
在0℃测量点(零点)：V4=V3，
即：1mA·[108.56-61.3/(108.56+61.3)]-1.06 mV=1mA*R3
可推出：R3=97.84Ω
（3）调试
【1】调零。

将热电偶触头放入冰水混合液中，即0℃中。

接上电源后，边调节电位器R3，边测RL 两端电压，直至RL 两端电压约为2.04V ，即输出电流Io 为4 mA 。

【2】将热电偶放入沸水中，接上电源后，边调节电位器Rs ，边测RL 两端电压，直至RL 两端电压约为10.2V 。

即输出电流10为20mA 。

【3】灵敏度 16
0.027600S ∆Y
===∆X
五、课程设计的心得与体会
在今年的12月末，我们进行了传感器的课程设计，这是我第一次真正的独立设计一个东西，老师只是给出一个题目和大致的要求，其他的都是靠自己完成。

必须承认，这对于我的挑战还是非常大的。

首先，要使用以前基本没用过的prtel99设计原理图和布线图。

这一环节几乎占了这次课程设计的一半时间。

好在上学期曾选修过这门课程，在画原理图是还顺风顺水，蛋到布线图是确实遇到了很大的麻烦，经过不懈的努力，最终我还是做出了布线图，这是我做出的第一幅布线图！
其次，就是对元器件的学习，热电偶还好，毕竟在课本上学过些皮毛，不至于从头学起。

但是，变送器就不同了，全靠自学，从结构到原理，都得弄明白才行。

在这期间我发现我的自学能力太有限了，许多很简单的东西我自己怎么也看不明白，但是，总想做出点什么的心让我坚持了下来。

这次的课程设计让我学到了很多课本上没有的东西，扩展了自己的视野，增强了自己的动手能力，清醒的认识到自己的不足，培养了小心谨慎的作风，使自己对课题设计了解进一步加深。

总之，此次的课程设计使我收获颇丰，也是我上大学来难忘的一次经历。

六、参考文献
1 赵广林. protel99电路设计与制版.北京：电子工业出版社，2005
2 程德福,王君.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，2007
3 张宏建,蒙建波.自动检测技术与装置.北京：化学工业出版社，2004
4 沈任远,吴勇.常用电子元器件简明手册.北京：机械工业出版社，2000
5 王福瑞.集成电路器件大全.北京航天航空出版社，1999。