热电阻温度检测及其报警电路设计1

引言

随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现．能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比，这里设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。本文就热电阻温度检测仪及其各个元器件的工作原理和设计进行介绍。

偏差报警单元在控制系统的偏差超出给定范围时，发出报警信号。本文就偏差报警单元工作原理进行介绍。

第一章四线制温度变送器

1.1 概述四线制温度变送器具有如下特点：

①在热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度呈线性关系，便于指示和记录。

②变送器的输入、输出之间具有隔离变压器，并采取了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干扰性能，且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号。

图1 温度变送器结构方框图

变送器总体结构如图1所示。三种变送器在线路结构上都分为量程单元和放大单元两个部分，它们分别设置在两块印制电路板上，用接插件互相连接。其中放大单元是通用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。

方框图中，空心箭头表示供电回路，实线箭头表示信号回路。毫伏输入信号U

i

或由测温元件送来的反映温度大小的输人信号E

t 与桥路部分的输出信号U

z

及反馈信

号U

f

相叠加，送人集成运算放大器。放大了的电压信号再由功率放大器和隔离输出电路转换成统一的4—20mA直流电流J。和1—5V直流电压U。输出。

变送器的主要性能指标：基本误差为±0．5％；环境温度每变化25℃附加误差不超过±0．5％；负载电阻在0—100Ω范围内变化时，附加误差不超过±0．5％。

第二章温度变送器的放大单元工作原理

温度变送器的放大单元由集成运算放大器、功率放大器、直流—交流—直流变换器、隔离输出等部分组成。放大单元的作用是将量程单元输出的毫伏信号进行电压和功率放大，输出统一的直流电流信号和直流电压信号。同时，输出电流又经反馈部分转换成反馈电压信号，送至量程单元。

2.1 电压放大电路

电压放大电路由集成运算放大器IC

1

构成。由于来自量程单元的输入信号很小，且放大电路采用直接锅合方式，故对温度漂移必须加以限制。温度变送器中运算放大器所用的线性集成电路需采用低漂移型的高增益运算放大器。

2.2 功率放大电路

功率放大电路的作用是把运算放大器输出的电压信号，转换成具有一定负载能力的电流信号。同时，通过隔离变压器实现隔离输出。

图2 功率放大器原理图

功率放大器线路如图2所示，由复合管VT

1、VT

2

及其射极电阻

3

R、

4

R和隔离

变压器T

等元件组成。它由直流—交流—直流变换器输出的交流方波电压供电，因而不仅具有放大作用，而且具有调制作用，以便通过隔离变压器传递信号。

在方波电压的前半个周期(其极性如图2所示)，二极管VD

1导通，VD

2

截止，由输

入信号产生电流如；在后半个周期内，二极管VD 2导通，截止VD 1，从而产生电流如。由于如和如轮流通过隔离变压器T 0的两个绕组，于是在铁芯中产生交变磁通，这个交变磁通使T 0的副边产生交变电流i L ，从而实现了隔离输出。

采用复合管是为了提高强人阻抗，减少线性集成电路的功耗。引入射极电阻，一方面是为了稳定功率放大器的工作状态，另一方面为了从4R 两端取出反馈电压U f 。由于只4R 阻值为50 ，故当流过4R 的电流为4—20mA(其值与输出电流0I 相等)时，反馈电压信号U f 为0.2—1V ，此电压送至量程单元，经过线性电阻网络或经过线性化环节反馈送到运算放大器的输入端，以实现整机负反馈。

2.3 隔离输出

为了避免输出与输入之间有直接电的联系，在功率放大器与输出回路之间，采用隔离变压器T 0来传递信号。隔离变压器T 0实际上是电流互感器，其变流比为1/1，故输出电流等于功放电路复合管的集电极电流。

图3 隔离输出电路

隔离输出电路如图3所示。T 0副边电流i L 经过桥式整流和由14R 、6C 组成的阻容滤波器滤波，得到4—20mA 的直流输出电流0I ，0I 在阻值为250Ώ的电阻15R 上的压降Uo(1—5V)作为变送器输出电压信号。稳压管VZ 0的作用在于当电流输出回路断线时，输出电流0I 可以通过VZ 0而流向15R ，从而保证电压输出信号不受影响。二极管17VD 、18VD 的作用是当输出端6处出现异常正电压时，二极管短路，将熔断丝烧断，从而对电路起保护作用4．直流—又流—直流(UC ／AC ／UL)烫挟持

2.4 直流-交流-直流（DC/AC/DC ）变换器

DC ／AC ／DC 变换器用来对仪表进行隔离式供电。该变换器在DDZ —III 型仪表中是一种通用部件，除了温度变送器外，安全栅也要用它。它先把电源供给的24V 直流

电压转换成一定频率(4—5kHz 左右)的交流方波电压，再经过整流、滤波和稳压，提供直流电压。在温度变送器中，它既为功率放大器提供方波电源，又为集成运算放大器和量程单元提供直流电源。

（1）工作原理 直流—交流变换器(DC ／AC)是DC ／AC ／DC 变换器的核心郡分。DC ／AC 变换器实质上是一个磁耦合对称推挽式多谐振荡器。该变换器线路如图2—34所示。图R 13、R 9及R 10为基极偏流电阻，R 13太大会影响启振，太小则会使基极损耗增加。R 11和R 12为发射极电流负反馈电阻，用以稳定晶体管VT 3、VT 4的工作点，二极管VD 19，是用来防止电源极性接反而损坏变换器；VD 9—VD 12作为振荡电流的通路，

并起保护三极管VT 3、VT 4的作用。

电源接通以后，电源电压S E 通过13R 为两个晶体管3VT 和4VT 提供基极偏流，从而使它们的集电极电流都具有增加的趋势。由于两个晶体管的变量不可能完全相同，现假定晶体管3VT 的集电极电流3c i 增加得快，则磁通 向正方向增加。根据电磁感应

图4 直流-交流变换器

原理，在两个基极绕组8~4W 和)(4~10b W W 上分别产生感应电势3b e 和4b e ，其方向如图4

所示。由于同名端的正确安排，感应电势的方向遵循正反馈的关系，

4b e 将使晶体管4VT 截止，而3b e 则使3VT 的基极回路产生3b i ，这使3c i 增加，3c i 的增加又使3b i 更大。这样，瞬间的正反馈作用使3b i 立即到达最大值，从而使3VT 立即进入饱和状态。3VT 处于饱