采用线性光耦技术的隔离式温度变送器

目录

摘要 (2)

ABSTRACT (3)

简介 (4)

第一章总体设计 (5)

1.1引言 (5)

1.2隔离温度变送器电路的设计 (6)

1.3原理框图 (7)

第二章元件质料 (8)

2.1 PT100 (8)

2.2 线性光耦 (10)

2.3运算放大器 (15)

第三章温度变送器的硬件设计 (19)

3.1 信号采集电路 (19)

3.2 差动放大电路 (20)

3.3 电压变换电路 (21)

3.4 V/I变换 (21)

3.5电源部分 (22)

结论 (25)

参考文献 (26)

附件电路原理图 (27)

致谢 (28)

摘要

以铂电阻PT100 为例，设计了高准确度温度变送器。设计时，考虑了铂电阻的非线性问题，同时考虑了工业现场中参考电压波动、干扰等对温度测量的影响。定义了温敏系数概念，并以该系数作为设计的重要技术指标。实际应用表明，该变送器具有较高的测量准确度和较强的抗干扰能力

关键词：铂电阻器；变送器；非线性；干扰；温度测量；温敏系数

Abstract

The high accuracy temperature transmitter is designed with Pt100 as example . In designing , non-linearity of platinum resistance is considered, and influence of reference voltage and interference to temperature measruement in industrial locale is also taken into account The concept of temperature sensitivity coefficient is definde .and made as the important desiganing specification Its application shows the transmitter features high measuring accruacy and high anti-interference.

Key words: platinum resistor ;transmitter;nonlinearity; interference; temperature measurement; temperature sensitive coefficient

简介

随着科技的进步，社会工业化的加大。温度已经成为自动控制中的一个不可或缺的参考量，人们的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度及控制，在农业生产中也离不开温度的测量与控制，温度参数应用越来越广泛, 比如炉子，热水器管道内气体或液体的温度等等，为避免严重的事故发生，保障设备和工作人员的安全，提高经济效益具有重要的意义。因此研究温度变送器十分必要。现代信息技术的三大基础是信息采集、信息传输和信息处理。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展；本次设计利用铂电阻随温度改变的性将温度的变化转变为电压的变化，经过反馈修正差动放大HCNR200/201线性光耦直接变换成一个与被测信号成极好线性关系并且完全隔离的电压，再经隔离变换，得到与输入（温度传感器）完全隔离的对应与被测点温度的直流点流输出，并采用三线式铂电阻测量电路使精度更高；本设计温度传感器的主要特点是功能单一、测温误差小、价格低、抗干扰能力强、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，鉴于它技术的成熟性和应用的广泛性以及工业生产和日常生活要求的特殊性温度变送器

必将有着美好的前景和广泛的市场。

第一章总体设计

引言

隔离的变送器，是工业测量和控制的重要部件。隔离的变送器信号调理电路则是其重要组成部分，以其较强的抗干扰能力应用于各种传感器的变送器中。本文以铂电阻温度变送器的信号调理电路为例介绍了隔离的变送器信号调理电路的设计，该电路也可用于其它传感器的变送器。

铂电阻作为检测元件，广泛用于工业以及医疗卫生领域，测温范围宽，线性好，价格便宜，特别适用于机电一体化。所以，铂电阻温度变送器，尤其是隔离的变送器，是工业测量和控制必不可少的部件。

变送器信号调理电路主要用于信号放大、线性化和标准化处理。铂电阻温度变送器信号调理电路通常是由放大器和电阻网络构成，虽然成本较的低，但输入和输出是一体的，容易串进干扰，产生误差甚至损坏仪器设备。其线路复杂、抗干扰能力也较差，本文介绍热电阻（如铂电阻、铜电阻等）温度测量电路是由较新隔离放大器构成的变送器信号调理电路，具有较强的抗干扰能力，广泛适用于石油、化工、电力等领域。

1.1温度变送器电路的设计

铂电阻的温度测量范围很宽（-200︒C～850︒C），根据允许误差的不同，分为D、C、B 和A级。其零度值误差分别为±0.48％、±0.24％、±0.12%、0.069%。

铂电阻通电流以后，会产生自热效应。为达到要求的测量精度，控制自热效应是必要的。通过铂电阻的电流不能太大，但是铂电阻测温信号与通过的电流大小成正比，所以设计铂电阻的电流要在允许自热的情况下尽可能大一些，一般选不大于lmA。如果采用1mA 供电，温度升高100︒C时，只能取得38.5mV的信号，信号要放大到足够大。根据铂电阻的分度表，铂电阻阻值随温度上升的增加略有下降，即存在非线性，热电阻温度变送器信号调理电路的设计要考虑信号线性化问题。

在控制系统中，变送器作为检测部件要为控制系统提供检测到的信息，为确保控制系统可靠运行，变送器提供的信息必须是电隔离的。没有隔离就没有可靠的工业控制。所谓隔离，是要求输出信号与输入信号电隔离，这就要求输出端与输入端的电源也是电隔离的。并且要保持被传送信号的特性。这样隔离的温度变送器电路，除温度、电压变换电路外，还需要有隔离放大器和隔离电源。其中隔离有变压器隔离和光耦隔离光藕一般有两种：线性和非线性。当然在大功率电源的控制板上还会用到高速光藕，一般都是采用多个封装在一起的形式。光藕在电路上的作用主要是隔离反馈。

其实，反馈光藕一般会用线性光藕我们的 SPS 、充电板上凡是反馈用的都是线性光藕。其一边是发光二极管，一边是三极管，之间有一个电流传输比关系，这个关系对设计很重要的，其本质上是一个电流器件，对电流进行变化的。光藕作为隔离用的时候与变压器的区别是：在能量传输方面，光藕会有一定的延时，变压器则不会；广藕要有电源，变压器则不需要。

当输出电压保持恒定时，电流传输比等于直流输出电流 IC 与直流输入电流 IF 的白分比。光耦的电流传输比（ CTR ）的允许范围是 50%-200% 。这是因为当 CTR 〈 50% 时，光耦中的 LED 需要较大的工作电流（ IR 〉 5.0MA ），才能正常控制单片开关电源 IC 的占空比，这会增大光耦的功耗。若 CTR 》 200% ，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。

我们使用HCNR200/201线性光耦器，其特点是 CTR 值能够在一定范围内做线性调整。在光耦的输入端加控制电压，在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级电路的电压，是单片机进行闭环调节控制，对电源输出起到稳压的作用。