二线制温度变送器的设计



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摘要：本文介绍了二线制热电阻热电偶温度变送器的电路设计, 文章分析了系统实现的理论依据及硬件实现方案，说明了利用VB设计的辅助设计软件。该装置具有精度高、可靠性较好、电路简单、成本低、体积小、生产调试方便等特点, 具有广泛的应用前景。

关键词：二线制；温度；变送器；热电阻；热电偶

中图分类号：TP216 TP212 文献标识码：A 文章编号：1006-883X(2002) 11-0019-07

一、简介

二线制温度变送器分别与热电偶和热电阻相配合，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)在热电偶和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。



(4)在热电偶温度变送器中，要进行冷端补偿，冷补范围0~100°C。

变送器在线路结构上分为量程单元和放大单元两个部分，其中放大单元是通用的，而量程单元，则随品种、测量范围的不同而不同。设计电路结构如图1所示。

图中粗线为电源线，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或热电偶mV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。

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100Ω的小电阻，整个电路电流输出I2≈V/R25。R26是一个负载电阻。



三、 热电偶二线制变送器电路设计

热电偶二线制变送器电路和热电阻二线制变送器主要区别在于信号采集和非线性修正部分, 下面我们就这两部分别作介绍。

1、信号采集和一级放大电路

热电偶的输出是随被测温度变化的mV信号。该局部电路设计如图4所示。在电路中，TL431的作用是输出稳定的2.5V。D0是一个保护二极管，它可以保护电源输入正负反相对电路的危害。通过R3和TL431分压，使TL431两端的工作电压保持在2.5V，并为后面的冷端补偿，为修正电路和调零电路提供直流电源。在此电路中，铜线绕制的热电阻Cu50起冷端补偿作用。当热电偶的热电势E12随冷端温度的变化而变化时，铜电阻 Cu50两端的电压也随之反方向变化，如果分压电阻R2的阻值选择适当，则Cu50两端电压的变化能自动的补偿冷端温度变化对热电偶热电势的影响。根据冷端补偿的定义，应使50°C与0°C时Cu50两端的电压差等于热电偶在50°C时的热电动势，当冷端温度为零度时存在的电压mV通过后面的调零电路解决，以镍铬-镍硅（镍铝）热电偶（分度号K）测量变送范围0~1300℃为例， K分度50°C时输出热电势等于2.022mV即：由此可求得：R2=13kΩ。

电路中，热电偶mV信号和冷补铜电阻两端电压相加，经过R4输入到LM124的第一级放大器，根据放大器工作原理，我们可以得出输出电压（设包括热电偶及冷补之和的输入信号为V）。 设计考虑使得当热电偶的温度达到最大值(1300℃对应热电势为52.398mV)，放大器的输出电压为2.5V。也就是说，热电偶冷端温度为0°C时的电压加上热电偶的最大热电势，再乘以放大倍数应等于2.5V，即：其中，K为LM324的放大倍数,由此可计算出K=40，如果取R4=R5=5.1kΩ，则R6应为180kΩ。

2、线性化调整电路和二级放大电路

该局部电路（这一级输出V2）是本电路中十分重要的环节，同时也是比较难的环节。因为它涉及到整个电路的线性调节。放大部分在前面已经叙述，现在就线性调节问题加以阐述。具体电路如图5所示（图中几个二极管连接的电路就是线性修正电路）。电路中的R9、R10、R11、R13、R14、R15、R16均为断开，只有在需要时，我们才加上该电阻。



本电路是用一非线性放大电路去校正被测参数的非线性特性, 其原理就是由二极管补偿电阻组成的折线并联支路在输入信号的不同位置相续起作用, 使放大器在信号大小不同位置放大倍数不同, 其非线性特性刚好和被测热电偶非线性特性相反。在本电路中采用六个折点(三个为正三个为负), 折点的位置可改变支路二极管导通电压调整, 调整折线支路电阻大小可改变折线补偿斜率。在实际设计过程中，可取几个点进行修正，对于K分度（检测范围0~1300°C）,首先可以假定在0~100°C范围近似线性，非线性误差忽略不计，另外再取500 °C、900°C、1300°C作为修正检测点，当检测点值在要求线性值以上，则表示输出值偏大，这就 需要降低输出，具体措施就是连接D7~D12中某一级调整电路；反之则连接D1~D6中某一级调整电路。电路中拐点选择二极管可根据修正的需要选用硅管或锗管。调整方式如下：首先以0°C调零1000°C调满, 然后按以下顺序反复调校：

A 、对 100°C~500 °C段非线性调整时，我们可以连接D1或者D12这一级，然后调整R9或者R16电阻大小来改变放大器的放大倍数，使其达到规定输出值。如果检测到输出值偏小，要选择R9 D1，计算调整R9的阻值, 促使本段运放放大倍数上升，直到输出电压增大到要求线性值。如果我们检测到输出值偏大，则需要选择R16 、D12。并调整R16阻值，促使本段运放放大倍数下降输出电压减小到要求线性值。

B 、在调节500 °C~ 900°C段非线性调整时，我们可以连接D2、D3或者D10、D11，然后调整R10或者R15的大小。

C、对900 °C~ 1300°C段非线性调整时，根据检测点1300°C输出值偏大或偏小决定选择连接的是剩下两个折线补偿支路(三个二极管)的哪一路, 方法同上。

和热电阻变送器相同，在该电路中的R12的作用是修正电源波动时对整个电路的影响。防止电压源不稳定造成4~20mA波动。调零调满及V/I转换电路也和热电阻相同在此不再赘述。

四、软件设计

1、设计概述

根据在实际设计生产中的需要，对不同分度号不同量程的二线制温度变送器，其电路参数也略有不同, 这给产品的生产调试带来不便, 为此在理论计算分折的基础上设计了一个辅助软件来解决这个问题。在这里，同一类二线制变送器电路原理基本相似，只是有几个电阻参数不同。为此，我们可以设计一个辅助计算软件，来计算不同分度号不同量程变送器电路所对应的合适电阻值。在实际设计过程中，我们可以分两大类：

(1)热电阻二线制变送器

该类电路包括：Pt100、Pt10、Cu50、Cu100、G、二线制变送器。



(2)热电偶二线制变送器

该类电路包括：热电偶K、E、S、B、J、T、WRE二线制变送器。



2、电阻计算的VB界面设计

根据要求，对于该界面，它应集成了检测电路类型选择、电阻计算、具体电路图查看、电阻阻值显示（混和电路原理图）等功能。当我们在选择了所需检测电路类型时，单击确定后，在我们的主体窗口中就可以将各个需计算的电阻显示出来，同时，为了更加清晰的显示各电阻之间的关系以及所计算电阻在电路中的位置，我们还要同时显示出电路原理图，把算出的电阻值显示在原理图上电阻的相应位置。主体窗口中的热电阻、热电偶二线制变送器电路的查看，主要是提供一个全面的设计电路原理图，藉以显示在桌面上，同时消除因为显示电阻值而使电路线路不清楚的影响。界面的主体窗口如下：

(1)电路类型选择设计

在类型中，我们有各种分度的二线制变送器。为此选择ComboBox命令来建立下拉式选择菜单，在该命令的List―list中输入所需各种类型，然后对该下拉菜单进行命名，比如CboOk。此外在主体程序中进行相应的链接。部分链接显示如下：

If CboOk.Text=“请选择类型”Then MsgBox“必须选择所需要的类型”

If CboOk.Text= “Pt100(0~500度)”Then……

它的功能主要是通过对类型的控制来选择所需要的计算。

(2)电阻阻值显示（混和电路原理图）设计

A、对于在主体窗口中的电阻值的显示，可以采用TextBox命令来对计算出来的阻值进行显示，由于要有相应的电阻符号（R1或者其它电阻符号），还要采用Lable命令，来显示相应的电阻符号。在对电阻进行计算时，可以采取如下的方式（假设选择的是Pt100二线制变送器，计算某一电阻R9公式已知，计算R9的程序如下）：

If CboOk.Text = "Pt100(0-500度)" Then

Label7(4).Visible = False

Label7(3).Visible = True

Text2.Text = (Val(Text1(0).Text) * 100 - 2.5 * 2.809) / (2.5 * 0.1809)

式中Text2.Text即表示我们所求的R9，(Val(Text1(0).Text)则表示我们的未知值，或者是已知的需要带入本式计算的值。Label7(3) Visible、Label7(4)Visible是指我们第三个、第四个计算输出的电阻值，在热电阻变送器中，我们的规定它们的单位为kΩ，而在热电偶变送器中，我们规定的单位为欧，为此，在需要显示以kW为单位的电阻值时，我们需要隐藏以W为单位的电阻值。

B、对于同时显示的电路图以及显示在电路中的电阻值，我们必须新建一个窗体Form2以及Form3，同时还要设定一个数据传输模块，藉以从Form1中把计算出的电阻传输到Form2以及Form3的电路原理图中显示。新建窗体或者模块，可以在VB的程序编写界面的工程条中选取新建窗体或者新建模块命令。在模块中，我们可以任意设定变量，但前提是必须与Form1主体程序中的变量一致。

C、Form2、Form3设计思路完全一样，只是在显示热电阻电路时，热电偶电路不显示，在显示热电偶电路时，热电阻电路不显示。这是我们需要利用 Form2.Show Form3.Hide语句来屏蔽 Form3或者Form2的显示。由于我们有单独的电路显示，为此，当只需要查看电路图而不需要显示电阻值或者那个Lable框时，也需要对在电路图中几个Lable显示框进行屏蔽。

在图例中，我们可以通过左上下拉菜单中选择所需检测温度的电路类型，经过点击确定后，这时，调用后台程序对所需计算的电阻进行计算并显示出来，这里有两种显示方式，其一是在主界面上显示，另外可以在电路原理图的电阻的相应位置显示。此外，我们可以通过点击查看热电阻电路、查看热电偶电路来查看我们的所需电路原理图。工作实例见图6。

五、结论

本文介绍的热电阻、热电偶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、热电偶传感器接线盒内；已产品化批量生产，并得到广泛的应用。同时，本文介绍的辅助设计软件解决了不同分度号、不同量程变送器电路参数不同带来调试困难的问题。具有较强的工程实用价值。