熱電阻溫度檢測及其電路設(shè)計

1、引 言 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn)能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件。熱敏電阻的成本低，但需后續(xù)信號處理電路，而且可靠性相對較差，測溫準(zhǔn)確度低，檢測系統(tǒng)也有一定的誤差。與傳統(tǒng)的溫度計相比，這里設(shè)計的數(shù)字溫度計具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫精確，數(shù)字顯示，適用范圍寬等特點。本文就熱電阻溫度檢測儀及其各個元器件的工作原理和設(shè)計進(jìn)行介紹。偏差報警單元在控制系統(tǒng)的偏差超出給定范圍時，發(fā)出報警信號。本文就偏差報警單元工作原理進(jìn)行介紹。第一章 四線制溫度變送器1.1 概述四線制溫度變送器具有如下特點：在熱電阻溫度變送器中采用了線性

2、化電路，從而使變送器的輸出信號和被測溫度呈線性關(guān)系，便于指示和記錄。 變送器的輸入、輸出之間具有隔離變壓器，并采取了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干擾性能，且能測量來自危險場所的直流毫伏或溫度信號。 圖1 溫度變送器結(jié)構(gòu)方框圖 變送器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。三種變送器在線路結(jié)構(gòu)上都分為量程單元和放大單元兩個部分，它們分別設(shè)置在兩塊印制電路板上，用接插件互相連接。其中放大單元是通用的，而量程單元則隨品種、測量范圍的不同而異。方框圖中，空心箭頭表示供電回路，實線箭頭表示信號回路。毫伏輸入信號U或由測溫元件送來的反映溫度大小的輸人信號E與橋路部分的輸出信號U及反饋信號U相疊加，送人集成運算放大器。放大

3、了的電壓信號再由功率放大器和隔離輸出電路轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的420mA直流電流J。和15V直流電壓U。輸出。 變送器的主要性能指標(biāo)：基本誤差為05；環(huán)境溫度每變化25附加誤差不超過05；負(fù)載電阻在0100范圍內(nèi)變化時，附加誤差不超過05。第二章 溫度變送器的放大單元工作原理溫度變送器的放大單元由集成運算放大器、功率放大器、直流交流直流變換器、隔離輸出等部分組成。放大單元的作用是將量程單元輸出的毫伏信號進(jìn)行電壓和功率放大，輸出統(tǒng)一的直流電流信號和直流電壓信號。同時，輸出電流又經(jīng)反饋部分轉(zhuǎn)換成反饋電壓信號，送至量程單元。2.1 電壓放大電路電壓放大電路由集成運算放大器IC構(gòu)成。由于來自量程單元的輸入信號很

4、小，且放大電路采用直接鍋合方式，故對溫度漂移必須加以限制。溫度變送器中運算放大器所用的線性集成電路需采用低漂移型的高增益運算放大器。 2.2 功率放大電路 功率放大電路的作用是把運算放大器輸出的電壓信號，轉(zhuǎn)換成具有一定負(fù)載能力的電流信號。同時，通過隔離變壓器實現(xiàn)隔離輸出。 圖2 功率放大器原理圖 功率放大器線路如圖2所示，由復(fù)合管VT、VT及其射極電阻、和隔離變壓器T等元件組成。它由直流交流直流變換器輸出的交流方波電壓供電，因而不僅具有放大作用，而且具有調(diào)制作用，以便通過隔離變壓器傳遞信號。在方波電壓的前半個周期(其極性如圖2所示)，二極管VD導(dǎo)通，VD截止，由輸入信號產(chǎn)生電流如；在后半個周期

5、內(nèi)，二極管VD導(dǎo)通，截止VD，從而產(chǎn)生電流如。由于如和如輪流通過隔離變壓器T的兩個繞組，于是在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，這個交變磁通使T的副邊產(chǎn)生交變電流i，從而實現(xiàn)了隔離輸出。采用復(fù)合管是為了提高強人阻抗，減少線性集成電路的功耗。引入射極電阻，一方面是為了穩(wěn)定功率放大器的工作狀態(tài)，另一方面為了從兩端取出反饋電壓U。由于只阻值為50，故當(dāng)流過的電流為420mA(其值與輸出電流相等)時，反饋電壓信號U為0.21V，此電壓送至量程單元，經(jīng)過線性電阻網(wǎng)絡(luò)或經(jīng)過線性化環(huán)節(jié)反饋送到運算放大器的輸入端，以實現(xiàn)整機(jī)負(fù)反饋。2.3 隔離輸出為了避免輸出與輸入之間有直接電的聯(lián)系，在功率放大器與輸出回路之間，采用隔離變

6、壓器T來傳遞信號。隔離變壓器T實際上是電流互感器，其變流比為1/1，故輸出電流等于功放電路復(fù)合管的集電極電流。 圖3 隔離輸出電路隔離輸出電路如圖3所示。T副邊電流i經(jīng)過橋式整流和由、組成的阻容濾波器濾波，得到420mA的直流輸出電流，在阻值為250的電阻上的壓降Uo(15V)作為變送器輸出電壓信號。穩(wěn)壓管VZ的作用在于當(dāng)電流輸出回路斷線時，輸出電流可以通過VZ而流向，從而保證電壓輸出信號不受影響。二極管、的作用是當(dāng)輸出端6處出現(xiàn)異常正電壓時，二極管短路，將熔斷絲燒斷，從而對電路起保護(hù)作用4直流又流直流(UCACUL)燙挾持2.4 直流-交流-直流（DC/AC/DC）變換器DCACDC變換器用

7、來對儀表進(jìn)行隔離式供電。該變換器在DDZIII型儀表中是一種通用部件，除了溫度變送器外，安全柵也要用它。它先把電源供給的24V直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率(45kHz左右)的交流方波電壓，再經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓，提供直流電壓。在溫度變送器中，它既為功率放大器提供方波電源，又為集成運算放大器和量程單元提供直流電源。（1）工作原理 直流交流變換器(DCAC)是DCACDC變換器的核心郡分。DCAC變換器實質(zhì)上是一個磁耦合對稱推挽式多諧振蕩器。該變換器線路如圖234所示。圖R、R及R為基極偏流電阻，R太大會影響啟振，太小則會使基極損耗增加。R和R為發(fā)射極電流負(fù)反饋電阻，用以穩(wěn)定晶體管VT、VT的工作點，二

8、極管VD，是用來防止電源極性接反而損壞變換器；VDVD作為振蕩電流的通路，并起保護(hù)三極管VT、VT的作用。 電源接通以后，電源電壓通過為兩個晶體管和提供基極偏流，從而使它們的集電極電流都具有增加的趨勢。由于兩個晶體管的變量不可能完全相同，現(xiàn)假定晶體管的集電極電流增加得快，則磁通向正方向增加。根據(jù)電磁感應(yīng) 圖4 直流-交流變換器原理，在兩個基極繞組和上分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢和，其方向如圖4所示。由于同名端的正確安排，感應(yīng)電勢的方向遵循正反饋的關(guān)系，將使晶體管截止，而則使的基極回路產(chǎn)生，這使增加，的增加又使更大。這樣，瞬間的正反饋作用使立即到達(dá)最大值，從而使立即進(jìn)入飽和狀態(tài)。處于飽和狀態(tài)時，其管壓降極小

9、，在此瞬時，可認(rèn)為電源電壓等于集電極繞組上的感應(yīng)電勢，于是可從下式得知基極繞組的感應(yīng)電勢的大小。 e= eE （2-1）因為感應(yīng)電勢的大小與磁通的變化率成正比，即 =w （2-2）第三章 熱電阻溫度變送器量程單元為便于分析，將量程單元和放大單元中的運算放大器IC聯(lián)系起來畫于圖5。熱電阻溫度變送器的整機(jī)線路見圖8。圖5中R為熱電阻，r、r、r為其引線電阻，VZVZ為限壓元件。R兩端的電壓隨被測溫度t而變，此電壓送至運算放大器IC的輸入端。零點調(diào)整、遷移以及量程調(diào)整電路與上述兩種變送器基本相同。 圖5 熱電阻溫度變送器量程單元電路原理圖熱電阻溫度變送器也具有線性化電路，但這一電路是置于輸入回路之中

10、。此外，變送器還設(shè)置了熱電阻的引線補償電路，以消除引線電阻對測量的影響。下面對這兩種電路分別加以討論。 3.1 線性化原理及電路分析 熱電阻和校測溫度之間也存在著非線性關(guān)系，例如鉑熱電阻，特性曲線的形狀是呈上凸形的，即熱電阻阻值的增加量隨溫度升高而逐漸減小。由鉑電附特性可知在0 500的測量范圍內(nèi)，非線性誤差最大約為2，這對于要求比較精確的場合是不允許的因此必須采取線性化的措施。熱電阻溫度變送器的線性化電路不采用折線方法，而是采用正反饋的力法，將熱電阻兩端的電壓信號引至的同相輸入端, 這樣的輸出電流將的增大而增大，即隨被測溫度t升高而增大，從而補償了電阻隨被測溫度升高其變化量逐漸減小的趨勢，最

11、終使得熱電阻兩端的電壓信號與被測溫度之間呈線性關(guān)系。熱電阻線性化電路原理如圖6所示。圖中為基準(zhǔn)電壓。的輸出電流流經(jīng)所產(chǎn)生的電壓，通過電阻加到的同相輸入端，構(gòu)成一個正 圖6 線性化電路原理圖反饋電路?，F(xiàn)把看成總理想運算放人器，即侗置電流為零，由圖6可求得 （31） （32） 由上兩式可求得流過熱電阻的電流和熱電阻兩端的電壓分別為 （33） 如果冰1，即，則由式(33)可以看出，當(dāng)隨被測溫度的升高而增大時，將增大。而且從式(34)可知，的增加量也將隨被測溫度的升高而增大，即和之間呈下凹形函數(shù)關(guān)系。因此，只要恰當(dāng)?shù)倪x擇元件變量，就可以得到和之間的直線函數(shù)關(guān)系： 實踐表明，當(dāng)選取時，即取只10k，4，

12、1時，在測溫范圍內(nèi)，鉑電阻兩端的電壓信號與被測溫度間納非線性誤差最小。3.2 引線電阻補償電路為消除引線電阻的影響，熱電阻采用三導(dǎo)線接法。三根引線的阻值要求為r1r2r31 。由電阻R23,R24,r2所構(gòu)成的文路為引線電阻補償電路。若不考慮此電路，則熱電阻回路所產(chǎn)生的電壓信導(dǎo)為UtU十2Itr此式表明,若不考慮引線電阻的補償，則兩引線電阻的壓降將會造成測量誤差。當(dāng)存在引線電阻補償電路時，將有電流通過電阻和。調(diào)整，使，則流過r3的兩電流大小相等而方向相反，因而電阻r3上水產(chǎn)生壓降。It在r1上的壓降It 和I在r2上的壓降I分別通過電阻R30、R31，和R29引至 I的反相端，由于這

13、兩壓降大小相等而極性相反并且設(shè)計時取R29R30+R31，因此引線r上的壓降將被引線r2上的壓降所抵消。由此可見，三導(dǎo)線連接的引線補償電路可以消除熱電阻引線的影響。應(yīng)當(dāng)說明，上述結(jié)論是在電流IIt的條件下得到的。由于流過熱電阻Rt的電流不是一個常數(shù)，因此IfIt只能在泅溫范圍內(nèi)某一點上成立，即引線補償電路只能在這一點上全補償。一般取變送器量程上限一點進(jìn)行全補償，就是說使補償電路的I等于變送器量程上限時的If。第四章 偏差報警單元 偏差報警單元在控制系統(tǒng)的偏差超出給定范圍時，發(fā)出報警信號。報警信號由繼電器的觸點輸出，可以用來接通報警燈、報警電鈴等回路也可以間接地驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采取必要的緊急措施。

14、 偏差報警單元的原理圖如圖7所示。它接受調(diào)節(jié)器偏差差動電平移動電路的輸出信號±2（），當(dāng)時，電路就發(fā)出報警信號。此電路產(chǎn)生偏差報警信號的條件是 UT9UF9或 UT10UF10只要兩個條件中的一個條件滿足，VTI導(dǎo)通，VT2亦導(dǎo)通使繼電器K勵碰，發(fā)出報警信號。圖7 偏差報警單元原理圖假設(shè)，備電源內(nèi)阻為零，電路在報警前有 和 代入或得 或 （41）即在時，電路為報警狀態(tài)。報警后，和均處在導(dǎo)通狀態(tài)。解除報警的條件分以下兩種情況來討論。（1）在報警后。由于此時 要解除報警必須滿足 于是解賒報警的條件為 （42）（2）在報警后，由于此時 要解賒報警必須滿足 于是解除報警的條件為 （43） 由

15、式（42）和式（43）可知在上述兩種情況下，解除報警的滯后值分別為U和2U滯后值是根據(jù)實際需要特意設(shè)置的否則在報警給定值附近將出現(xiàn)報警動作的振蕩現(xiàn)象。解除報警時的滯后一般為12（滿量程）。 U和2U比的大小取決于R和R的阻值，為使兩者相等，R應(yīng)等于R。這兩個電阻還具有正反饋作用，其上的電壓反饋至運算放大器的同相輸人端，可以加速電路的報警動作。電路中的R和C是為了提高抗干擾能力而設(shè)置的。由此可見，在集電極電流 (近似等于)隨時間線性增加的同時，基極電流將隨時間線性下降，直至兩者符合晶體管電流放大的基本規(guī)律=為止。這時的工作狀況由飽和區(qū)退到放大區(qū)，集電極電流達(dá)最大值，與此同時磁通也到達(dá)最大值而不再增加。由于 =0，基極繞組感應(yīng)電勢立即等于零，也立即由變?yōu)榱?。根?jù)電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)電勢立即轉(zhuǎn)變方向。在反向的作用下，立即截止，而反向的使立即飽和導(dǎo)通，這是另一方向的正反饋過程。隨后開始向負(fù)方向增加，磁通繼續(xù)下降，基極電流的絕對值逐漸減小，直至使自飽和區(qū)退到放大區(qū)。此時集電極電流達(dá)負(fù)向最大，磁通為。按照同樣的道理，使截止，又重新導(dǎo)通，如此周而復(fù)始，形成自激振蕩。由于兩個集電極繞組和匝數(shù)相等，副邊兩個繞組和匝數(shù)也相等，因而根據(jù)電磁感應(yīng)原理，副邊兩個繞組的感應(yīng)電勢大小相等，相位相反(以12