二线制温度变送器的设计

二线制温度变送器的设计
一、简介
1、基本要求：
（1）测温传感器用pt100 （2）供电电源电压+24V （3）输出信号为4~20mA 电流 （4）采用二线制
2、二线制温度变送器与热电阻相配合，可以将温度信号线性地转换成
4~20mA 直流标准输出信号。

二线制温度变送器应具有如下主要特点：
（1）二根线完成电源的输入及4~20mA 直流电流输出, 即二根线既是电源线也是4~20mA 标准信号输出线。

（2）由于二线制一体化变送器安装在传感器接线盒中, 所以必须有良好的可靠性、稳定性及较宽温度工作范围(0~85°C) 和较小的温漂，同时要求体积尽可能小。

（3）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4~20mA输出信号和被测温度呈线性关系。

设计电路结构如图1 所示。

粗线为电源线，细线为信号流程，两根外接导线既是电源线也是信号线。

4~20mA 信号体制为二线制设计提供了可能性，当被测信号从下量程到上量程（0％~100％）变化时，二根传输线上电流对应４~20mA变化； 4mA 作为变送器电路工作损耗电流，也易于识别断线断电故障。

RL为信号采样负载电阻(RL≤250Ω) 。

V(AB) 须大于12V 以保证系统的正常工作。

在电源正常(17~30V) 的前提下, 回路4~20mA电流I由输入热电阻R信号确定。

通过框图我们可以看到，首先，需要对信号源所产生的信号进行采集，然后将采集到的信号进行放大、线性化调整、调零调满，最后通过V/I 转换把线性反映温度大小的电压信号转化为电流信号I1（0~16mA），加上电路的4mA静态工作电流I2形成4~20mA电流信号通过二线制电源线输出。

对于热电偶变送器，采用一个小型CU50 热电阻来测量冷端的温度，进行冷端补偿。

两种变送器都采用了LM124 集成运放，它是四组独立的高增益的内部频率补偿运算放大器。

它可以适应本电路单电源工作的要求，电源电压范围大，温度特性很好，性价比高，在后面电路中所用运放全都是LM124。

二、热电阻二线制变送器的设计
热电阻二线制变送器详细电路图如图2(Pt100为例)所示,下面就各部分工作原理作一下介绍。

图2 热电阻二线制变送器电路
1、信号采集电路
热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度, 常用的有铂电阻Pt100、Pt10 铜电阻Cu50、Cu100 等。

其阻值与温度关系可通过分度号表查询。

图中是以Pt100热电阻为例（在这里，可以采用其他的热电阻，如Cu50、
Cu100 等） ，TL431是2.5V稳压二极管，D2 是一个保护二极管，防止输入电压反接可能带来的对电路的影响或者破坏。

R1 是限流电阻，R2、R3、
R4 与R5(Pt100)配合使用，组成一个电阻测量电桥。

由于一体化二线制热电阻变送器安装在接线盒内，引线电阻忽略不计。

R1、R2、R3、R4 可以确定下来（其值见图2），其中热电阻R5随着温度变化而变化。

R4 根据采用的热电阻分度号不同而取不同的值。

如Pt100测量时R4取100Ω，Cu50测量时
R4 取50Ω。

电桥中间两点电压作为后续差动放大器的输入信号。

分别为：
因R2=R3>>R4及R5, 故：
2、一级放大电路和线性化调整电路
该电路功能之一是把采集到的微弱信号放大,在本级电路中采取了差动放大。

同时，与该放大电路连接在一起的还有一个正反馈非线性调整电路，它的主要功
能是对热电阻与温度电阻间的非线性进行修正,保证放大器的输出电压被测温度成线性关系。

R7、R8、R9 以及LM124 构成了放大电路。

对于该局部电路，输入信号来自采集到的信号V和V￠，输入信号分别各自经过R7、R8 进入LM124的第一组运算放大器, 得到输出电压V1 （在这里没考虑非线性调整电路即反馈回路R6 对电路输入的影响）。

V1=V￠+ R9 (V-V￠)/R8
此外，在该电路中还有一个非常重要的部分，那就是线性化调节电路，即本电路中的R6。

对于线性化调节的过程以及原理，我们可以用图3加以解释。

图中虚线表示没有进行线性化调节时输出电压随源温度变化时的曲线，图中实曲线则表示进行R6非线性化调节的具体过程，随着温度升高，输出电压随之提高，正反馈影响增强，只要R6 阻值合适可刚好抵消热电阻本身非线性的影响，使得输出电压和温度为线性关系，即图3 中直线所示。

根据线性化调整原理，线性调整电阻R6 的反馈电压V反为：
则实际输出：
由于热电阻线性较好, 经计算调校本电路中R6=8.2kΩ，热电阻非线性修正可以达到千分之二的精度。

3、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。

4、调满电路和V/I转换电路
调满电路是由R18、R20、W2 组成的对上一级电压输出V2 分压构成。

通过对W2 的调节，使得最后输出（信号源最高输入时整个电路的输出）达到要求的输出结果V(W2 中间抽头电压)。

R21、R22、R23、R24、R25及运放组成一个
V/I转换电路, 由于R22、R23、R24 均为200kΩ的大电阻，R25 为100
Ω 的小电阻，整个电路电流输出I2≈V/R25。

R26 是一个负载电阻。

三、硬件设计
硬件组成主要由稳定电源电路、运算放大电路、电压电流转换电路、电流电压转换电路四个部分组成。

1 稳定电源电路
稳定电源电路如图4所示。

LP2951是S1PEX公司推出的低功耗电压调节器，非常适用于一些电池供电系统，如无绳电话、无线控制系统及便携式电脑。

具有低静态电流、低压差等特性(轻微负载时，压差为50 mV；100 mA负载时，压差为380 mV)。

LP2951具有很小的初始容限(一般0．5％)，非常良好的负载及线路调节特性(一般0．05％)，并具有非常低的温度系数(20 ppm ／℃)，因此非常适合用作低功耗电压源。

LP-2951可以通过引脚连接得到5 V 电压，使用内部分压器通过引脚1(输出)及引脚2(Sense)及引脚7(反馈)到引脚6(5 V端)，获得输出、Sense、反馈、5 V端电压。

同样，还可以通过1．235 V的参考源获得其他输出电压，最大30V。

图4 稳定电源（5V）
2 主电路分析
R7，R8，R4，RP1和Ptl00组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压由LP2951电源芯片来提供。

从电桥获取的差分电压信号通过两级运放放大后，再经过电压／电流转换电路，转换为4～
20 mA的标准电流信号输出，因为A／D只能采集电压信号，所以在信号进行A ／D采集前，再通过芯片RCV420将4～20 mA转换为O～5 V电压信号。

电桥的一个桥臂采用可调电阻RP1，通过调节RP1，可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。

放大电路采用LM258集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，其中可调电
阻RP2用于调节放大电路的增益。

温度在O～+120 ℃变化，当温度上升时，
Ptl00阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压对应地
升高，输出电流也相应变大。

实际选用的R8阻值比PtlOO高很多，因此Ptl00
阻值变化引起的测量电流变化不大，获得近似恒流法的线性输出。

图5 PT100 主电路
本文介绍的热电阻两线制变送器具有电路简单、成本低、可靠性高的特点，精度可以保证在0.5%以内。

可以制成小体积的一体化两线制变送器，直接安装在热电阻传感器接线盒内。

在温度测量系统中,Pt100铂热电阻被密封在金属棒中这样使得本温度测量系统不但可以测量室内气体温度,还可以测量油缸内油温、土壤、液体、种子等内的温度,大大提高了温度测量系统的适用范围。

采用Pt100铂热电阻为温度检测元件可有效降低开发成本扩大应用。

该变送器的电路设计简单方便,实用性好,电路工作稳定、可靠性高 。