热电阻温度变送器及保护电路设计

.......5
1.2 热电阻温度变送器量程单元 7
1.2.1线性化原理及电路分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
........9
1.2.2引线电阻补偿电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2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。
功率放大器线路如图1-1所示，由复合管、及其射极电阻
、
隔离变压器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。
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。 温度变送器与各种热电偶或热电阻配合使用，将温度信号转换成为
(1-5)
由此可见，在集电极电流 (近似等于 )随时间线性增加的同时，基极电流 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 为止。这时
的工作状况由饱和区退到放大区，集电极电流达最大值 ，与此同时磁通 也到达最大值 ，而不再增加。由于 ，基极绕组感应电势
立即等于零， 立即由 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 作用下， 立即截止，而反向的 使 立即饱和导通，这是另一方向的正反馈过程。随后 开始向负方向增加，磁通 继续下降，基极电流 的绝对值逐渐减小，直至使 自饱和区退到放大区。此时集电极电流达负向最大，磁通 为 。按照同样的道理，使
2.3
输出电
路.......................................................14
第三章 总结 16 附 录 I 17 参考文献 18
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。
1.1 放大单元工作原理
1.1.1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
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
随温度而变化的数值（
）。 若设变送器使用环境温度范围为
，失调电压温漂系数为
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
两端取出反馈电压。由于只
阻值为50
，故当流过
的电流为4~20mA(其值与输出电流
相等)时，反馈电压信号为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1-1 温度变送器结构方框图
温度变送器特点：1、采用环氧树脂密封结构，因此抗震、耐温， 适合在恶劣现场环境中安装使用。2、现场安装于热电阻、热电偶的接 线盒内，直接输出4～20mA，这样既省去较贵的补偿导线费用，提高了 信号长距离传送过程中的抗干扰能力。3、精度高、功耗低、使用环境 温度范围宽、工作稳定可靠。4、量程可调，并具有线性化较正功能， 热电偶温度变送器具有冷端自动补偿功能。
截止， 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 和 。匝数相等，副边两个绕组 和 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
增加到 。因此，根据磁感应的公式 （1-6）
可求得振荡周期。（1-6）式中， 为对应绕组中的感应电势，其绝对值为
（1-6）
从电磁感应公式可求得
（1-7） （1-7）式中，
，
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
。从上式可以看出，频率与电源电压的幅值成正比关系。
1.2 热电阻温度变送器量程单元
和
(
)上分别产生感应电势 和 ，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， 将使晶体管 截止，而 则使 的基极回路产生 ，这使 增加， 的增加又使 更大。这样，瞬间的正反馈作用使 立即到达最大值，从而使 立即进入饱和状态。 处于饱和状态时，其管压降 极小，在此瞬时，可认为电源电压 等于集电极绕组
. . . . . 11
第二章 保护电路及其设计 12
2.1 输入电
路........................................................................................13
，则在温度变化
时失调电压的变化量
为
现设
（1-1）
为由于
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
为3mV，温升为30℃，要求时，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。
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。
如图2-1为便于分析，将量程单元和放大单元中的运算放大器联系 起来
图1-5热电阻温度变送器量程单元电路原理图
图中为热电阻，、、为其引线电阻，~为限压元件。两端的电压随 被测温度而变，此电压送至运算放大器的输入端。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。
热电阻温度变送器加入了线性化电路和引线补偿电路，线性化电路 置于输入回路之中。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。
(
)上的感应电势 ，于是可从下式得知基极绕组的感应电势的大小。
=
(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
≈
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 亦随时间线性增加。这时，由于 发射极电位的不断增加，基极电流 将要下降，可从 的基极回路列出以下关系式。
第一章 热电阻温度变送器
热电阻是中低温区常用的一种测温元件。热电阻利用物质在温度变 化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。热电阻的受热部分 （感温元件）是用细金属丝均匀的缠绕在绝缘材料制成的骨架上，当被 测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质 层中的平均温度。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电 阻的测量精确度最高。
图1-2功率放大电路原理图
1.1.3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，采用隔离变压器来传递信号。隔离变压器实际上是电流互感 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。副边电流 经过桥式整流和由
、
组成的阻容滤波器滤波，得到4-20mA的直流输出电流
是用来防止电源极性接反而损坏变换器；
~
作为振荡电流的通路，并起保护三极管
、
的作用。 电源接通以后，电源电压量
通过 为两个晶体管 和 提供基极偏流，从
图1-4 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 的集电极电流 增加得快，则磁通 向正方向增加。根据电磁感应原理，在两个基极绕组
(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
、
和
为基极偏流电阻,
太大会影响启振，太小则会使基极损耗增加。
和
为发射极电流负反馈电阻，用以稳定晶体管
、
的工作点，二极管
下面对量程单元进行分析，应用叠加定理有： 当单独作用时，可得出如下关系： 当单独作用时，可得出：
当单独作用时，有 令 又因为 依据叠加定理： 并且， 由此可得：
1.2.1线性化原理及电路分析