温度变送器传感器设计

摘要

HAKK-WB系列温度变送器为24伏供电，二线制的一体化变送器，产品采用进口集成电路，将热电偶或热电阻的信号放大，并转换成4-20mA或0-10mA的输出电流，或0-5伏的输出电压，其中铠装变送器可以直接测量气体或液体的温度，特别适用于低温范围测量，克服了冷凝水对测温所带来的影响特点。

温度变送器的作用是将物理测量信号或普通电信号转换成标准电信号输出，或能够以通讯协议方式输出的设备，温度变送器是将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的的仪表，主要用于工业过程温度参数的测量和控制。电流变送器是将被测主回路交流电流转换成恒流环标准信号，连续输送到接收装置。

温度变送器的工作原理：

本实验所采用的温度变送器为两线制，即将敏感元件的微弱电压信号变换成变送器的直流馈电电源中的电流变化；在工业控制系统中，该电流的变化规定为4~20mA。

两线制温度变送器具有以下优点：

（1）温度变送器体积小，可以和温度敏感元件做成一体安装在现场，且为电流输出，故抗干扰能力强，可远距离传输。

（2）对馈电电源的稳压精度要求低。一般来说，电源电压在-30﹪~+15﹪之间波动不影响输出电流的精度。

（3）两线制温度变送器将电源线与信号线合二为一，从而节省了设备资源，降低了资本。

（4）调整方法简单，速度快；且调整量程时错误率极低。

（5）温漂控制方面有了提升，缓解了现场使用时温度漂移大的问题。

目录

摘要.............................................................................................................................I 第1 章绪论 .. (1)

1.1 背景...........................................................................错误！未定义书签。

1.2 应用实例...................................................................错误！未定义书签。第2章原理分析 . (3)

2.1 工作原理 (3)

第3章实现过程 (5)

3.1 电路图设计 (5)

3.2 电路仿真 (6)

心得体会 (8)

第1 章绪论

大多数金属导体的电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数，这就是热电阻测温的基础。电阻值随温度的变化程度称为温漂系数，大部分金属材料的温漂系数是正数，而且许多纯金属材料的温漂系数在一定温度范围内保持恒定，具体应用中选用哪一种金属材料(铂、铜、镍等)取决于被测温度的范围。金属铂(Pt)电阻的温度响应特性较好，成本较低，可测量温度较高；它在0 ℃的额定电阻值是100 Ω，是一种标准化器件。工作温度范围：-200～+850℃，考虑到工业的实际应用，本系统设计的测量范围为0～120℃。因为热敏电阻的阻值和温度呈正比关系，只需知道流过该电阻的电流就可以得到与温度成正比的输出电压。根据已知的电阻-温度关系，可以计算出被测量的温度值。Ptl00温度感测器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度检测器，其电阻和温度变化的关系式为：

Rt = Ro [ 1 + At + B t^2 + C ( t – 100 )^3 ]

式中：Rt为t℃时的铂电阻的阻值；Ro为0 ℃时的铂电阻阻值，Ro =100Ω；A,B,C为常数。对满足上述关系的热电阻，其温度系数约为3.9*10^-3/℃。

因此，用铂做成的电阻式温度检测器，又称为Ptl00温度传感器，即：

A=3.940*10^-3/℃, B=-5.802*10^-7/℃, C=-4.274*10^-12/℃。

显然，电阻与温度呈非线性关系，但当测量精度要求较低时，电阻值与温度的函数关系可以简化为：

Rt=Ro(1+AT)

电阻与温度的变化关系最好近似于线性，或为平滑的曲线，而铂的线性度最好，但仍为非线性。

第2章设计内容与要求

2.1设计内容：

1)信号采集电路；

2)一级放大电路和线性化调整电路；

3)调零、电源平衡及二级放大电路；

4）调满电路和V/I转换电路。

2.2设计要求：

1）测温传感器用Ptl00，供电电源电压+24V；

2）输出信号为4～20mA电流；

3）采用二线制；

4）装置的结构和电路原理图；

5）分析发现的问题及处理过程；

6）总结与心得体会；

2.3设计框图

下图为二线制温度变送器的原理方框图。由方框图可知，温度变送器由热敏元件，稳压源，测量电桥及U\I变换电路组成。

图1为温度变送器的电路原理图。稳压源由恒流管2DH10-D，稳压二极管

2CW72及运算放大器IC1组成。稳压二极管2CW72输出电压为7V。运算放

大器接成电压跟随器的形式，以提高稳压源的带负载能力，其输出电压作为测量电桥的电源。

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=100Ω, 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。

第3章实现过程

3.1 电路图设计

如下图是温度变送器的电路原理图。稳压源由恒流管2DH10-D,稳压二极管2CW72及运算放大器IC1组成。