温度变送器的设计

东华理工大学长江学院控制仪表及装置课程设计报告课题名称：温度变送器的设计******学号：************班级：1130202专业：自动化指导老师：***2014 年06月16日目录一、引言 (3)二、温度变送器的作用及组成框图 (3)三、温度变送器电路的设计 (4)1、输入电路 (4)2、电压放大电路 (5)3、功率放大电路 (5)4、隔离输出 (6)5、直流-交流-直流（DC/AC/DC）变换器 (7)6、热电阻温度变送器量程单元 (10)7、线性化原理及电路设计 (11)8、引线电阻补偿电路 (13)9、输出电路 (13)四、总电路 (16)五、课程设计总结 (17)六、参考文献 (18)一、引言目前在电厂测温系统中，有很大一部分设计是采用热电阻温度变送器，将温度信号转换成4～20mA的直流电流后再送到二次仪表或其它数据采集系统进行温度显示。

这样一来，每一个测温元件都需要一个温度变送器。

电阻温度变送器是热电阻温度传感器与变送器的完美结合，以十分简捷的方式把 -200~+600 ℃范围内的温度信号转换为二线制 4~20mA DC 的电信号传输给显示仪、调节器、记录仪、 DCS 等，实现对温度的精确测量和控制。

温度变送器是现代工业现场、科研院所温度测控的更新换代产品，是集散系统、数字总线系统的必备产品。

一体化热电阻温度变送器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能力强、线性好、显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、工作可靠等优点。

二、温度变送器的作用及组成框图变送器的作用是分别将各种工艺变量（如温度、压力、流量、液位）和电、气信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标准信号。

图2-1 温度变送器结构方框图图2-2变送器构成原理图三、温度变送器电路的设计1、 输入电路保护电路的设计所采用的输入电路和乘法运算器里的输入电路相一致，其结构图如图3-1所示。

图3-1 输入电路输入电路的作用是从输入信号中减去与运算无关的1V 电压，并将以0V 为基准的信号移至以电平B U 为基准。

在图2-1中，当IC1为理想运算放大器时，则有41111)(R R U U R U B F ++=（2-1）32213)5.0(R R U R U R U B i T +-+=（2-2）因U F =U T ，且R1=R2=500K Ω，R3=R4=250K Ω，其中N=21， 则 )1(21111-=i U U （2-3） 2、电压放大电路电压放大电路由集成运算放大器构成。

由于来自量程单元的输入信号很小，且放大电路采用直接耦合方式，故1IC 对温度漂移必须加以限制。

为此应对集成运算放大器的温漂系数提出一定要求。

这里，温漂系数主要是指os U 随温度而变化的数值（tU os ∂∂）。

若设变送器使用环境温度范围为t ∆，失调电压温漂系数为tU os∂∂，则在温度变化t ∆时失调电压的变化量os U ∆为（1-1）现设η为由于os U ∆的变化给仪表带来了附加误差，即 ，则由于式（1-1）可知（1-2）式(1-2)表示了集成运算放大器的温漂系数和仪表相对误差的关系。

温漂系数越大，引起的相对误差就越大。

当温度变送器的最小量程i U ∆为3mV ，温升t ∆为30℃，要求003.0≤η时，按式(1-2)就要求（ ）为了满足这一要求，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。

3、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。

功率放大器线路如图3-2所示，由复合管1VT 、2V T 及其射极电阻3R 、4R 隔t tU U osos∆∂∂=∆i t os t U U ∆∆∂∂=ηiosU U ∆∆=η3.0ti t os ≤∆∆=∂∂ηU U ℃V μ离变压器To 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。

采用了复合管是为了提高输入阻抗，减小线形集成电路功耗。

引入射极电阻一方面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f V 。

在方波电压的前半个周期，二极管1V D 导通，2V D 截止，由输入信号产生电流1c i ；在后半个周期内，二极管2V D 导通，1V D 截止，从而产生电流2c i 由于2c i 和1c i 轮流通过隔离变压器To 的两个绕组，于是在铁芯中产生交变磁通，这个交变磁通使To 的副边产生交变电流l i ，从而实现了隔离输出。

采用复合管是为了提高强入阻抗，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f U 。

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f U 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。

图3-2功率放大电路原理图 4、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0T 来传递信号。

隔离变压器0T 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。

隔离输出电路如图1-2所示。

0T 副边电流L i 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0VZ 的作用在于当电流输出回路断线时，输出电流0I 可以通过0VZ 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。

图3-3 隔离输出电路原理图5、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1-3中13R 、9R 和10R 为基极偏流电阻, 13R 太大会影响启振，太小则会使基极损耗增加。

11R 和12R 为发射极电流负反馈电阻，用以稳定晶体管3VT 、4VT 的工作点，二极管19VD 是用来防止电源极性接反而损坏变换器；9VD ~12VD 作为振荡电流的通路，并起保护三极管3VT 、4VT 的作用。

电源接通以后，电源电压量s E 通过13R 为两个晶体管3VT 和4VT 提供基极偏流，从图3-4直流--交流变换器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φ向正方向增加。

根据电磁感应原理，在两个基极绕组8~4W 和(b W )上分别产生感应电势3b e 和4b e ，其方向如图1-3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4~10W 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11~6W (c 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。

3b e = (1-3)因为感应电势的大小与磁通的变化率成正比，即(1-4)而||3c e ≈s E 近似为一常数。

所以，铁芯中的磁通将随时间线性增加，在铁芯磁化曲线的线性范围内，励磁电流M i 亦随时间线性增加。

这时，由于3VT 发射极s cb c cb E W W e W W ≈3tc3c d d W |e |φ=电位的不断增加，基极电流3b i 将要下降，可从3VT 的基极回路列出以下关系式。

(1-5)由此可见，在集电极电流3c i (近似等于3e i )随时间线性增加的同时，基极电流3b i 将随时间线性下降，直至两者符合晶体管电流放大的基本规律333b c i i β=为止。

这时3VT 的工作状况由饱和区退到放大区，集电极电流达最大值cM i ，与此同时磁通φ也到达最大值M φ，而不再增加。

由于，基极绕组感应电势3b e 立即等于零，3c i 立即由cM i 变为零。

根据电磁感应原理，感应电势立即转变方向。

在反向的3b e 作用下，3VT 立即截止，而反向的4b e 使4VT 立即饱和导通，这是另一方向的正反馈过程。

随后4c i 开始向负方向增加，磁通φ继续下降，基极电流4b i 的绝对值逐渐减小，直至使4VT 自饱和区退到放大区。

此时集电极电流达负向最大，磁通φ为M φ-。

按照同样的道理，使4VT 截止，3VT 又重新导通，如此周而复始，形成自激振荡。

由于两个集电极绕组11~6W 和9~11W 。

匝数相等，副边两个绕组12~20W 和19~12W 匝数也相等，因而根据电磁感应原理，副边两个绕组的感应电势大小相等，相位相反(以12点为参考点)，于是在纯阻性负载情况下，罐形磁芯的副边就输出交流方波电压。

(2)振荡频率 对于理想的变换器，当晶体管集电极电流到达最大值时，罐形磁芯接近饱和，即在时间内磁通由M φ-增加到M φ。

因此，根据磁感应的公式 （1-6）（1-6）可求得振荡周期。

（1-6）式中，c e 为对应绕组中的感应电势，其绝对值为sR ce s c E U U W e ≈--=113|| 从电磁感应公式可求得（1-7）tcc d d W e φ=||31011333R R i e i e b b -≈0=t d dφ2TT S B W T W E m C MM cs 402)(=---=φφcm S SW B E Tf 41==（1-7）式中，M m S B φ=，m B 为对应的磁感应强度，单位为特斯拉(T)；S 为磁芯截面积，单位为2m 。

从上式可以看出，频率与电源电压的幅值成正系。