热电偶温度变送器解读Word文档格式.docx

1、五、参考文献 8一、课程设计的目的1、掌握热电偶的结构、工作原理及正确选择。2、了解变普通送器的结构及简单应用。 3、通过设计增加对所学知识的灵活掌握和综合应用能力二、设计任务与要求 2.1设计任务 设计测量温度范围-100500的热电偶传感器 2.2设计要求（1）选用合适的热电偶材料，设计测温电路，冷端补偿电路，解决非线性化等问题（2）有电路图（PROTEL绘制），选型与有关计算，精度分析等（3）采用实验室现成的热电偶进行调试三、设计步骤及原理分析 3.1设计方法 1.热电偶的选择 热电偶是工业上广泛使用的温度传感器，它最大的优势就在于温度测量范围极宽，理论上从-270的极低温度到2800的

2、超高温度都可以测量，并且实际应用中在600-2000的温度范围内可以进行最精确的温度测量。在化工、石油、电力、冶炼等行业的自动化控制系统中热电偶发挥着对温度的监控作用。热电偶主要有以下几种标准化的型号：（1）S型热电偶）铂铑10-铂热电偶（2）（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶（3） B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶（4）（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶（5）（N型热电偶）镍铬硅-镍硅热电偶（6）（E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶（7）（J型热电偶）铁-铜镍热电偶（8）（T型热电偶）铜-铜镍热电偶 本次课程设计选用（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶，此热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电

3、偶的总和。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Si=97：3，其使用温度为-2001300。其主要特点： 温度-100500 信号采集K型热电偶，采集温度信号处理 XTR101放大变换铜电阻温度补偿测量标准的电信号（420mA） 恒流源供电 6 （1）K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。 （2）K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。2.电路功能（1）温度补偿 图1补偿电路 当热电偶测

4、温时，其冷端温度受环境变换影响较大，从而会影响最后测量的电信号。为了能得到稳定的电信号，以便算出真实的待测温度，需要对热电偶的冷端进行温度偿 （2）信号的放大热电偶测温的原理是基于热电转换效应。虽然它集放热、转换为一体，能直接实现温度到电压的输出，但输出幅度很微小。如K型热电偶的灵敏度为0.04mv/。因此，对其信号必须进行放大。（3）主要器件A、热电偶作为感温元件，采集温度信号； B、铜电阻作为补偿电阻，补偿热电偶的冷端温度； C、XTR101为小信号处理专用芯片，将输入的微弱信号放大后便于远端传输；D、RL负载电阻，便于电信号的测量3.2设计步骤（1）XTR101信号调理芯片为了得到稳定的

5、4mA20mA的输出电流，我们选用常用的信号放大芯片XTR101。XTR101通用型变送器单片模块电路，可把传感器的电压信号自动地变换成标准电流信号。内含一个高精度的仪表放大器、一个电压/电流变换器和二个相同的1mA精密恒流源基准。该电路失调电压低，最大为30uV，漂移小，最大为0.75uV/，外接元件可适于远程信号传输变换和热电偶、电阻温度计、热敏电阻以及应变计电桥登多种工作状态的变送器电路。实际应用时，应在输出端外加一个功率管，使工作时的热源外移，以保证其工作稳定性。传感器的电压信号由3、4脚输入，5、6脚外接电阻Rs可以调节输出满幅度，1、2、14脚外接电位器组成出示调零电路，10、11

6、脚分别输出两个1mA恒流，可以用于传感器供电，8脚接电源正端（也且是环流注入端），7脚通过负载电阻RL接电源负极（也是环流信号输出端），12、8、9可外接功率管。 XTR101两线制变送器的优点是抗干扰能力很强，长期运转导致的压降、电机噪音、继电器、电力拖动装置、电器开关、电流互感器和工作设备电源的频繁切换启动均无影响。它的工作温度范围为-40至80。 XTR101芯片电路图如图2所示，R1=1k，R2=52.6，R3=R4=1.25k，Rs为调增益的电阻 图2 XTR101芯片内部图2.要点分析【1】增益调节Rs为增益调节电阻，调节Rs可使输入电压Ein在从最小值变到最大值时使输出电流Io从

7、4mA变到20mA。即I=16mA的输出电流。需要注意的是：为使Io不超过20mA，当Rs=时，Ein不应超过1V，而当Rs减小时，Ein也应相应减小。【2】输入偏置由于XTR101使用的是单电源，因此在正常工作时，信号输入端应加+5V左右的偏置电压。该电压可利用2个内部参考电流源或其中之一通过一个电阻产生所需电压。如图3中的R2。 由于2个输入端都存在直流偏压，这就相当于在放大器的输入端存在一个共模电压，XTR101的技术指标中已经包含了这部分误差。 图3热电偶测温电路 【3】零点调整XTR101可以把任何范围（小于1v）的电压信号变换为420mA的输出电流，它的任务就是在输入电压最小时使输

8、出电流为4mA，即零点调整，也就是使零点能够上下偏移。可利用图4中的电阻R3和1mA的内部参考电流源在R3上所产生的压降V3来作为偏移电压进行零点调整。即调节R3，让其在V3=（V3）min时，使：Ein=V4-（V3）min=0。【4】温度补偿当热电偶测温时，其冷端温度受环境变换影响较大，从而会影响最后测量的电信号。为了能得到稳定的电信号，以便算出真实的待测温度，需要对热电偶的冷端进行温度补偿。我们选用铜电阻作为补偿元件，是因为它在常温下具有很好的稳定性。设热电势为E（t，t0），若冷端温度t0变化t1后，热电势就变为E（t，t1），即E=E（t，t0）-E（t，t1），铜电阻就是用于对随温

9、度变化的E进行自动补偿。将铜电阻和热电偶的冷端一同置于室内环境温度下，将热电偶放入冰水混合液中。调节R3使输入电压为0mV，而在其后的各温度点进行测量时，不再调节R3，虽然环境温度会变化，对热电偶有影响，但铜电阻的阻值也会随环境温度的变化而变化，导致其两端的电压改变，这种变化的电压就是用于抵消热电偶受温度变化影响的电势，从而达到补偿目的。我们选用分度号为100的铜电阻，即在0时的电阻为100，在100时的电阻为142.80，所以铜电阻的敏感系数为R/t=42.8Q/100，在温度为t时刻时，铜电阻的阻值Cut=100+（42.8/100（3）各参数的选择计算【1】增益调节电阻因为设计要求，选择

10、温度范围：-100500。当t=500时，Io=20mA，RL选510，所以URL=10.2V，这就需要调节Rs，即调节增益电阻。当温度为0时，热电偶电压E为0mV，灵敏度为：0.053mV/。当温度为-100时，Io=4mA，Ein=0mV；当温度为500时，Io=20mA，Ein=31.8mV。根据公式（1-1）：Io=（40/Rs+0.016/）Ein又因为Iomax=20mA-4mA=16mA，Emax=31.8mV-0mV=31.8mV所以有16mA=（40/Rs+0.016/）31.8mV得Rs=77【2】调零电阻和温度系数补偿电阻将热电偶的热端置于500的温度环境中，设此时环境温

11、度为20。由于热电偶的温度系数为0.053mv/，若其冷端感应的温度由20变化至100，则热电偶两端的电压由3.2mV变化至0mV，电压差为3.2mv。这个差值应由Cut100和R1的并联电阻两端电压自动补当冷端温度为20时，Cut100=100+（42.8/100）*20=108.56。当冷端温度为100时，Cutl00=100+（42.8/100）*100=148.8。148.8*R1/（148.8+R1）-108.56*R1/（108.56+R1）*1mA=0.053mV/*（100-20）可得：R1=61.3。 根据公式：Io=（40/Rs+0.016/）Ein+4mA，和Io的输出范

12、围：4mA20mA当T=-100时，要使Io=4mA，就要调节R3，既调零电阻。将热电偶热端置于0的温度环境中。此时环境温度仍为20，即温差为-20，热电式E=-200.053mV/=1.06mV，3,4间的信号输入Ein=0mV，Cu100（20）=100+（48.8/100）*20=109.6根据图3，可得：V4=E（t,t0）+1mACu100（20）/（Cu100（20）+R1）V3=1mAR3在0测量点（零点）：V4=V3，即:1mA108.56-61.3/（108.56+61.3）-1.06mV=1mA*R3可推出：R3=97.84（3）调试【1】调零。将热电偶触头放入冰水混合液中

13、，即0中。接上电源后，边调节电位器R3，边测RL两端电压，直至RL两端电压约为2.04V，即输出电流Io为4mA。【2】将热电偶放入沸水中，接上电源后，边调节电位器Rs，边测RL两端电压，直至RL两端电压约为10.2V。即输出电流10为20mA。【3】灵敏度3.3设计原理分析1、热电偶测温原理： 下图为热电偶测温原理图，热电偶的热端与被测物体接线，温度为t。 图4热电偶测温原理图 电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会

14、有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势。热电偶的冷端放在冰水混合液中，整个回路的电动势由右边的毫伏表读出，以此读数查表即可得热端被测物体的温度。 但测温方法有很多缺点，如冷锻必须为0，电路电动势为毫伏级，不易测量等，故设计热电偶温度变送器。该变送器将对冷端进行补偿，并将电动势值放大，其测温范围为-1005002、变送器原理框图 图5变送器原理图 四、课程设计小结与体会在今年的12月末，我们进行了传感器的课程设计，这是我第一次真正的独立设计一个东西，老师只是给出一个题目和大致的要求，其他的都是靠自己完成。必须承认，这对于我的挑战还是非常大的。 就是对元器件的学习，热电偶还好，毕竟在课本上学

15、过些皮毛，不至于从头学起。但是，变送器就不同了，全靠自学，从结构到原理，都得弄明白才行。在这期间我发现我的自学能力太有限了，许多很简单的东西我自己怎么也看不明白，但是，总想做出点什么的心让我坚持了下来。这次的课程设计让我学到了很多课本上没有的东西，扩展了自己的视野，增强了自己的动手能力，清醒的认识到自己的不足，培养了小心谨慎的作风，使自己对课题设计了解进一步加深。总之，此次的课程设计使我收获颇丰，也是我上大学来难忘的一次经历。五、参考文献 1赵广林.protel99电路设计与制版.北京：电子工业出版社，20052程德福,王君.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，20073张宏建,蒙建波.自

16、动检测技术与装置.北京：化学工业出版社，20044沈任远,吴勇.常用电子元器件简明手册.北京：机械工业出版社，20005王福瑞.集成电路器件大全.北京航天航空出版社，1999 读书的好处1、行万里路，读万卷书。2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。3、读书破万卷，下笔如有神。4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。达尔文5、少壮不努力，老大徒悲伤。6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。颜真卿7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。8、读书要三到：心到、眼到、口到9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。10、一日无书，百事荒废。陈寿11、书是人类进步的阶梯。12、一日不读口生，一日不写手生。13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。高尔基14、书到用时方恨少、事非经过不知难。陆游15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈歌德16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。笛卡儿17、学习永远不晚。18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。刘向19、学而不思则惘，思而不学则殆。孔子20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。培根