熱電阻測量及其保護電路

學校代碼：10128學號：200911204064題題學生姓名:學 院:班 級:指導教師:目：熱電阻測溫及其保護電路設計徐起陽電力學院自動化（電）09-2蕭貴玲、馬然2012年6月15日目前，熱電阻和熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)隨著現(xiàn)代信息技術的飛速發(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)應用于諸多領域。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計進行介紹。溫度變送器是現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場、科研院所溫度測控的更新?lián)Q代產(chǎn)品，是集散系統(tǒng)、數(shù)字總線系統(tǒng)的必備產(chǎn)品。一體化熱電阻溫度變送器具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省引線、輸出信號大、抗干擾能力強、線性好、顯示儀表簡單、固體模塊抗震防潮、有反接保護和限流保護、工作可靠等優(yōu)點。過程自動化最常用的兩種溫度傳感器。熱電阻由于在測量的靈敏度、線性度等諸多方面均優(yōu)于熱電偶，因此，在中低溫區(qū)得到了更廣泛的應用。熱電阻測溫原理是利用起阻止隨溫度的變化而變化這以原諒制成的將溫度轉(zhuǎn)換成電阻量的溫度傳感器。溫度變送器通過給溫度施加一個已激勵電流測量其兩端電壓的方法得到電阻（電壓/電流），再將電阻轉(zhuǎn)換成溫度值，從而實現(xiàn)溫度測量。關鍵詞：熱電阻；溫度變送器；輸出限幅單元；放大單元第一章溫度變送器與放大單元工作原理1.1簡述溫度變送器的特點溫度變送器與各種熱電偶或熱電阻配合使用，將溫度信號轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一標準信號，作為指示、記錄儀表或調(diào)節(jié)器等的輸入信號，以實現(xiàn)對溫度參數(shù)的顯示、記錄或自動控制。溫度變送器分兩大類，熱電偶溫度變送器：它是與各種熱電偶配合使用，可以將溫度信號變換成比例的4~20mADC電流信號和1-5V電壓信號。與其它變送器相比它增加了熱電偶冷端補償電路和線性化電路。熱電阻溫度變送器：它也是與各種測溫熱電阻配合使用，并將溫度信號變換成為電信號。四線制溫度變送器的特點：1、 在熱電偶和熱電阻溫度變送器中，采用了線性化電路，從而使變送器輸出信號與溫度的線性關系，便于指示和記錄。2、 變送器輸入、輸出之間具有隔離變壓器，并且采取了本安防爆措施，故具有良好的抗干擾能力。3、 在線路結(jié)構(gòu)上分為量程單元和放大單元，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。—幡人回路L—幡人回路L4有藏-交流441-j￡J電施址大功尊敢大ffiA■ 1j反魅回酷1■般單元］ 最大單元圖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UI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七及反饋信號Uf相疊加，送人集成運算放大器。放大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4—20mA直流電流J。和1—5V直流電壓U。輸出。變送器的主要性能指標：基本誤差為±0.5%；環(huán)境溫度每變化25°C附加誤差不超過±0.5%；負載電阻在0—100Q范圍內(nèi)變化時，附加誤差不超過±0.5%。1.2放大單元工作原理1.2.1電壓放大電路電壓放大電路由集成運算放大器IC1構(gòu)成，由于來自量程單元的輸入信號很小，并且放大電路采用耦合方式，所以要求采用低漂移、高增益的運算放大器。當溫度變送器的最小量程AUi為3mV，溫升At為30oC，要求附加誤差小于等于0.3%時，通過計算可得失調(diào)電壓的溫漂系數(shù)：(1-1)dV…，(1-1)——os<0.3uV/oCdt1.2.2功率放大電路由VT^、VT2、T0等組成。其作用是把IC1輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，再通過隔離變壓器實現(xiàn)隔離輸出圖2由復合管VI；、VT2及其射極電阻R3、R4和變壓器T0等元件組成。由變換器輸出的交流方波電壓供電，因此具有了放大作用和調(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，二極管VD1導通，VD2截止，由輸入信號產(chǎn)生電流如；在后半個周期內(nèi)，二極管VD2導通，截止VD1,從而產(chǎn)生電流如。由于如和如輪流通過隔離變壓器T0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T0的副邊產(chǎn)生交變電流i乙，從而實現(xiàn)了隔離輸出。采用復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R4兩端取出反饋電壓Uf。由于只R4阻值為50，故當流過R4的電流為4—20mA(其值與輸出電流/0相等)時，反饋電壓信號Uf為0.2—1V，此電壓送至量程單元，經(jīng)過線性電阻網(wǎng)絡或經(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)整機負反饋。1.2.3隔離電路該電路由整流二極管VD3~VD6.保護二極管VD7-VD8等組成。其作用是將功放輸出的交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號，并實現(xiàn)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，采用隔離變壓器T0來傳遞信號。隔離變壓器T0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。T0副邊電流、經(jīng)過橋式整流和由R14、C6組成的阻容濾波器濾波，得到4—20mA的直流輸出電流10，10在阻值為250的電阻R15上的壓降Uo(1—5V)作為變送器輸出電壓信號。穩(wěn)壓管VZ0的作用在于當電流輸出回路斷線時，輸出電流10可以通過VZ0而流向R15,從而保證電壓輸出信號不受影響。二極管VD7、VD18的作用是當輸出端6處出現(xiàn)異常正電壓時，二極管短路，將熔斷絲燒斷，從而對電路起保護作用4.1.2.4直流-交流-直流(DC/AC/DC)變換器DC/AC/DC變換器用來對儀表進行隔離式供電。該變換器在DDZ—III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(4—5kHz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。工作原理：直流一交流變換器(DC/AC)是DC/AC/DC變換器的核心郡分。DC/AC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2-34所示。圖R13、R9及R10為基極偏流電阻，R13太大會影響啟振，太小則會使基極損耗增加。R和R為發(fā)射極電流負反饋電阻，用以穩(wěn)定晶體管VT、VT的工作點，二極TOC\o"1-5"\h\z11 12 3 4管VD19，是用來防止電源極性接反而損壞變換器；VD9-VD12作為振蕩電流的通路，并起保護三極管VT,、VT4的作用。電源接通以后，電源電壓E通過R為兩個晶體管VT和VT提供基極偏流，從S 13 3 4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VT3的集電極電流i3增加得快，則臉通①向正方向增加。根據(jù)電磁感應原理，在兩個基極繞組W和W(W)上分別產(chǎn)生感應電勢e和e，其方向如圖44~8 10~4b b3 b4所示。由于同名端的正確安排，感應電勢的方向遵循正反饋的關系，匕4將使晶體管VT4截止，而e則使VT的基極回路產(chǎn)生i，這使i增加，i的增加又使i更大。這樣，b3 3 b3 c3 c3 b3瞬間的正反饋作用使i立即到達最大值，從而使VT立即進入飽和狀態(tài)。VT處于飽b3 3 3c3e=Wb3Wc和狀態(tài)時，其管壓降Uce3極小，在此瞬時，可認為電源電壓Es等于集電極繞組W611c3e=Wb3Wc(1-2)e一w^|e戒埒E(1-2)c c因為感應電勢的大小與磁通的變化率成正比，即(1-3)eb3wd^d(1-3)eb3wd^d^^rcdt圖4直流-交流變換器第二章熱電阻溫度變送器量程單元2.1熱電阻的工作原理熱電阻是中低溫區(qū)常用的一種測溫元件。熱電阻利用物質(zhì)在溫度變化時本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度的。熱電阻的受熱部分（感溫元件）是用細金屬絲均勻的纏繞在絕緣材料制成的骨架上，當被測介質(zhì)中有溫度梯度存在時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度最高。其特點為：1、 WZ系列裝配熱電阻：通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成，具有測量精度高，性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。實際運用中以Pt100鉑熱電阻運用最為廣泛。2、 WZPK系列鎧裝鉑熱電阻：鎧裝熱電阻是由感溫元件、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，它有下列優(yōu)點：體形細長，熱響應時間快，抗振動，使用壽命長等優(yōu)點。3、 隔爆型熱電阻：隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把接線盒內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會引起爆炸。4、 端面熱電阻：端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲纏繞制成，緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量表面溫度。2.2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IC1聯(lián)系起來畫于圖5。熱電阻溫度變送器的整機線路見圖8。圖5中R為熱電阻，r、r、r為其引線電阻，VZ?VZ為限壓元件。R兩t 1 2 3 101 104 t端的電壓隨被測溫度t而變，此電壓送至運算放大器IC1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。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。此外，變送器還設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。圖5熱電阻溫度變送器量程單元電路原理2.3線性化原理及電路分析熱電阻和被測溫度之間也存在著非線性關系，例如伯熱電阻，Rt-1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。由伯電阻特性可知，在0?500°C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IC2的同相輸入端，這樣IC2的輸出電流I將氣的增大而增大，即匕隨被測溫度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，最終使得熱電阻兩端的電壓信號％與被測溫度，之間呈線性關系。 'TOC\o"1-5"\h\z圖6中U為基準電壓。IC的輸出電流I流經(jīng)R所產(chǎn)生的電壓U，通過電阻Rz 2 t t t 18加到IC2的同相輸入端，構(gòu)成一個正反饋電路。現(xiàn)把IC2看成是理想運算放大器，即偏置電流為零，UT=UF，由圖6可求得U=-1R (2-1)RR(R+R),U= 17 U— ——19 1—IFR+RzR+Rt16 17 16 17由上兩式可求得流過熱電阻的電流I和熱電阻兩端的電壓U分別為:gRUtzgU

gRUtzgU

z—1-gRt(2-3)(2-4)1-gRt由(2-4)得:Rg= 17由(2-4)得:* RRw如果令gR<1,即RR<RR,則由式(2-3)可以看出，當R隨被測溫度的升t 17t1619 t高而增大時，I,將增大。而且從式(2-4)可知，Ut的增加量也將隨被測溫度的升高而增大，即Uf和R之間呈下凹形函數(shù)關系。因此，只要恰當?shù)倪x擇元件變量，就可以得到U和t之間的直線函數(shù)關系：t實踐表明，當選取g=4x10-4q-1時，即取只R16=10k。，R17=40，R19=1kQ時，在0?500°C測溫范圍內(nèi)，伯電阻R兩端的電壓信號^與被測溫度t間納非線性誤差最小。2.4引線電阻補償電路為消除引線電阻的影響，熱電阻采用三導線接法。三根引線的阻值要求為r1=r2=r3=1Q。由電阻R23、R24、r2所構(gòu)成的支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)生的電壓信導為U=U+2Ir (2-5)式(2-6)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。當存在引線電阻補償電路時，將有電流I通過電阻r,和r。調(diào)整R,』，使I=1，r 2 3 24 rt則流過r3的兩電流大小相等而方向相反，因而電阻r3上不產(chǎn)生壓降。It在r1上的壓降Ir和I在r上的壓降Ir分別通過電阻R”、R,和R引至IJ的反相端，由于這兩壓tr2 r 30 31 29 ]降大小相等而極性相反.并且設計時取R29=R30+R31，因此引線馬上的壓降將被引線r2上的壓降所抵消。由此可見，三導線連接的引線補償電路可以消除熱電阻引線的影響。應當說明，上述結(jié)論是在電流Ir=It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If=It只能在測溫范圍內(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行全補償，就是說使補償電路的Ir等于變送器量程上限時的It。U]]作為偏差報警電路的輸入信號UP'，輸入到偏差報警電路中。第三章偏差報警單元3.1偏差報警單兀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)行機構(gòu)，采取必要的緊急措施。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（氣-U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（氣-U），當2|U,-UJ時，電路就發(fā)出報警信號。圖7偏差報警單元原理圖此電路產(chǎn)生偏差報警信號的條件是UT9>UF9或UT10>UF10只要兩個條件中的一個條件滿足，VTj導通，VT2亦導通使繼電器K勵碰，發(fā)出報警信號。假設R1?R3+R4，備電源內(nèi)阻為零，電路在報警前有U=U+-U U=U+1UT9 B2P ， F9B2PSU=UT10B1/ 、U=UT10BU=U+-(U+U)F10B2PPS代入UT9>UF9或UT10>UF10得U>UPs或-Up>UPs即在|Up|>Ups時，電路為報警狀態(tài)。報警后，VT和VT均處在導通狀態(tài)。解除報警的條件分以下兩種情況來討論。1 2

在Up>UPS報警后。由于此時1/ 、U=U+—(U+U)T9B2PSU=U+-U一 F9 B—PS要解除報警必須滿足 2UT9VUF9（3-1）（3-2）于是解除報警的條件為（3-1）（3-2）U<U-U在-Up>Ups報警后，由于此時U=U+UT10 Bb1U=U+-(U+U)F10 B2PPS要解除報警必須滿足U10<UF10于是解除報警的條件為-U<U-2UPPS b由式（3-1）和式（3-2）可知.在上述兩種情況下，解除報警的滯后值分別為Uc和2Ub滯后值是根據(jù)實際需要特意設置的，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1%?2%（滿量程）。U和2U的大小取決于R和R的阻值，為使兩者相等，R應等于R。這兩個c b 3 4 3 4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入端，可以加速電路的報警動作。電路中的r2和C是為了提高抗干擾能力而設置的。3.2輸出限幅單元輸出限幅單元的作用是將控制器的輸出限制在一定范圍內(nèi)，從而保證控制閥不處于危險開度，其原理如圖所示。圖中虛線以下部分為輸出限幅單元，它實際上是限制1 3的輸出電壓U:3，使其不超過上限值H和不地獄下限值L，從而限制了控制器的輸出電流。VT的發(fā)射結(jié)處于反偏而VT的發(fā)射結(jié)處于反偏而當U03稍大于上限值H時，V2的發(fā)射結(jié)處于正偏而導通，截至，這樣U'o3就被限制在"H值上。

當Uo3稍小于下限值"H時，V1導通，V2截止，Uo3就被限制在"L值上。所以U03唄限制在"L——UH范圍內(nèi)，即控制器的輸出也被限制在相應的范圍內(nèi)。Uo2基型控制器LUo2基型控制器L下限 上限圖8輸出限幅單元原理圖結(jié)論熱電阻溫度變送器是由熱電阻溫度變送器量程單元、電平移動單元和偏差報警單元組成（電路圖見附錄I），是熱電阻溫度傳感器與變送器的完美結(jié)合，以十分簡捷的方式把-200?+600°C范圍內(nèi)的溫度信號轉(zhuǎn)換為二線制4?20mADC的電信號傳輸給顯示儀、調(diào)節(jié)器、記錄儀、DCS等，實現(xiàn)對溫度的精確測量和控制。溫度變送器是現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場、科研院所溫度測控的更新?lián)Q代產(chǎn)品，是集散系統(tǒng)、數(shù)字總線系統(tǒng)的必備產(chǎn)品。熱電阻和被測溫度之間也存在著非線性關系，所以要恰當選擇元器件變量，才可以得到氣和t之間的直線函數(shù)關系。2為消除引線電阻的影響，熱電阻采用三導線接法。流過熱電阻Rt的電流不是一個常數(shù)，因此If=It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。3偏差報警單元是在實施監(jiān)視一些重要的運行指標，對于某些運行指標偏差太大的性能參數(shù)實時報警。熱電阻溫度變送器具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省引線、輸出信號大、抗干擾能力強、線性好、顯示儀表簡單、固體模塊抗震防潮、有反接保護和限流保護、工作可靠等優(yōu)點。圖9熱電阻溫度變送電路圖參考文獻賀慶之.過程控制儀表及裝置.[M].北京：中國輕工業(yè)出版社.1994吳勤勤.控制儀表及裝置.[M].北京:化學工業(yè)出版社.2007閻石.數(shù)字電子技術基礎.[M].北京：高等教育出版社.2006李亞芬.過程控制系統(tǒng)及儀表.[M].北京：大連理工大學出版社.2010張寶芬等.自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng).北京：化學工業(yè)出版社，2000TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章溫度變送器與放大單元工作原理 1\o"CurrentDocument"1.1簡述溫度變送器的特點 11.2放大單元工作原理 2H