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Ui或由测温元件送来的反映温度大小的输人信号Et 与桥路部分的输出信号Uz及反馈信号Uf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IC1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VT1、VT2及其射极电阻3R、4R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VD1导通，VD2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 处于饱和状态时，其管压降3ce U 极小，在此瞬时，可认为电源电压S E 等于集电极绕组)(11~6c W W 上的感应电势3c e ，于是可从下式得知基极绕组的感应电势的大小。

e 3b =cb W W e 3c ≈cb WW E S （2-1） 因为感应电势的大小与磁通的变化率成正比，即3b e =w cdtd Φ（2-2）第三章 热电阻温度变送器量程单元为便于分析，将量程单元和放大单元中的运算放大器IC 1联系起来画于图5。

热电阻温度变送器的整机线路见图8。

图5中R t 为热电阻，r 1、r 2、r 3为其引线电阻，VZ 101～VZ 104为限压元件。

R t 两端的电压随被测温度t 而变，此电压送至运算放大器IC 1的输入端。

零点调整、迁移以及量程调整电路与上述两种变送器基本相同。

图5 热电阻温度变送器量程单元电路原理图热电阻温度变送器也具有线性化电路，但这一电路是置于输入回路之中。

此外，变送器还设置了热电阻的引线补偿电路，以消除引线电阻对测量的影响。

下面对这两种电路分别加以讨论。

3.1 线性化原理及电路分析热电阻和校测温度之间也存在着非线性关系，例如铂热电阻，t R t 特性曲线的形状是呈上凸形的，即热电阻阻值的增加量随温度升高而逐渐减小。

由铂电附特性可知．在0~ 500℃的测量范围内，非线性误差最大约为2％，这对于要求比较精确的场合是不允许的因此必须采取线性化的措施。

热电阻温度变送器的线性化电路不采用折线方法，而是采用正反馈的力法，将热电阻两端的电压信号t U 引至2IC 的同相输入端, 这样2IC 的输出电流t I 将t U 的增大而增大，即t I 随被测温度t 升高而增大，从而补偿了电阻随被测温度升高其变化量逐渐减小的趋势，最终使得热电阻两端的电压信号t U 与被测温度t 之间呈线性关系。

热电阻线性化电路原理如图6所示。

图中Uz 为基准电压。

2IC 的输出电流t I 流经t R 所产生的电压t U ，通过电阻18R 加到2IC 的同相输入端，构成一个正图6 线性化电路原理图反馈电路。

现把2IC 看成总理想运算放人器，即侗置电流为零，F T U U =，由图6可求得t t t R I U -= （3—1）（3—2）由上两式可求得流过热电阻的电流t I 和热电阻两端的电压t U ．分别为（3—3）如果冰t g ＜1，即t R R 17＜1916R R ，则由式(3—3)可以看出，当t R随被测温度的升t t z F I R R R R R U R R R U 17161916171617)(++-+=t zz t t gR gU U R R R R R I -=-=117191617tz t t gR U gR U -=1191617R R R g =高而增大时，t I 将增大。

而且从式(3—4)可知，t U 的增加量也将随被测温度的升高而增大，即t U 和t R 之间呈下凹形函数关系。

因此，只要恰当的选择元件变量，就可以得到t U 和t 之间的直线函数关系：实践表明，当选取g ＝4104-⨯时，即取只16R ＝10k Ω，17R ＝4Ωk ，19R ＝1Ωk 时，在C ︒-5000测温范围内，铂电阻t R 两端的电压信号t U 与被测温度t 间纳非线性误差最小。

3.2 引线电阻补偿电路为消除引线电阻的影响，热电阻采用三导线接法。

三根引线的阻值要求为r 1＝r 2＝r 3＝1Ω 。

由电阻R 23,R 24,r 2所构成的文路为引线电阻补偿电路。

若不考虑此电路，则热电阻回路所产生的电压信导为U ‘t ＝U t 十2I t r此式表明,若不考虑引线电阻的补偿，则两引线电阻的压降将会造成测量误差。

当存在引线电阻补偿电路时，将有电流r I 通过电阻2r 和3r 。

调整24R ，使t r I I =，则流过r 3的两电流大小相等而方向相反，因而电阻r 3上水产生压降。

I t 在r 1上的压降I t 和I r 在r 2上的压降I r 分别通过电阻R 30、R 31，和R 29引至 I 1c 的反相端，由于这两压降大小相等而极性相反．并且设计时取R 29＝R 30+R 31，因此引线r 1上的压降将被引线r 2上的压降所抵消。