電流型熱電偶溫度變送器的設計

一、前言
    熱電偶是工業上廣泛使用的溫度感測器，它最大的優勢就在於溫度測量範圍極寬，理論上從-270℃的極低溫度到2800℃的超高溫度都可以測量，並且實際應用中在600℃-2000℃的溫度範圍內可以進行最精確的溫度測量。在化工、石油、電力、冶鍊等行業的自動化控制系統中熱電偶發揮著對溫度的監控作用。因此我們開發設計出一套具有較高精度和穩定性的實用性K型熱電偶溫度變送器。

二、設計構架
1．設計要求
    整套系統要求在0～100℃範圍對應輸出4mA～20mA的電流型溫度變送器。
    在實際的工業化需求中，往往需要設計為標準信號的變送器，以便與儀錶和後續介面電路兼容。在輸出為模擬信號時，有電壓型和電流型兩種變送器。電壓型變送器的輸出為0～5v，雖然其在信號處理方面具有優勢，但抗干擾能力較差，在遠距離傳輸時信號衰減大，而電流型變送器卻在這方面獨具優勢。因此在工業實踐中得以廣泛應用。
    通常，電流型變送器有輸出0～20mA和4～20mA兩種。對於輸出0～20mA的變送器，雖然電路調試及數據處理都比較簡單。但對於輸出4～20mA的變送器，能夠在感測器線路不通時，通過是否能檢測到正常範圍內的電流，判斷電路是否出現故障，因此使用更為普遍。

2．電路功能
    (1)信號的放大
    熱電偶測溫的原理是基於熱電轉換效應。雖然它集放熱、轉換為一體，能直接實現溫度到電壓的輸出，但輸出幅度很微小。如K型熱電偶的靈敏度為0.04mv/℃。因此，對其信號必須進行放大。
    (2)溫度補償
    當熱電偶測溫時，其冷端溫度受環境變換影響較大，從而會影響最後測量的電信號。為了能得到穩定的電信號，以便算出真實的待測溫度，需要對熱電偶的冷端進行溫度補償。

3．原理框圖
 

4．主要器件
    熱電偶作為感溫元件，採集溫度信號；鉑電阻作為補償電阻，補償熱電偶的冷端溫度；XTR101為小信號處理專用晶元，將輸入的微弱信號放大后便於遠端傳輸；RL為遠端的負載電阻，便於電信號的測量。

三、具體電路的設計
1．XTR101信號調理晶元
    為了得到穩定的4mA～20mA的輸出電流，我們選用常用的信號放大晶元XTR101。
  XTR101是一個精密、低漂移的雙線變送器，它可以把微弱的電壓信號進行放大並變換成4mA～20mA的電流信號後進行遠距離傳送。它由一個高精度的儀錶放大器、壓控輸出電流源和2個精密的1mA電流源組成。
    其輸入管腳為：3、4；輸出管腳為：7、8；且；輸出範圍4mA～20mA；增益調節端為Rs端；電源端Vcc=24V。
    XTR101晶元電路圖如圖2所示，R1=1kΩ，R2=52.6Ω，R3=R4=1.25kΩ，Rs為調增益的電阻。
 
圖2 XTR101晶元電路圖
    圖中：I₁=(V₄-V₃)/Rs=ein/Rs；I₂=(V₁-V₃)/R₃；I₃=(V₁-V₄)/R₄．
    且I₄=I₁+I₂；I₃=I₁+0.1mA；I₄=I_e。
    可導出：I_e=2ein/Rs+ein/1250+0.1mA    (1-1)
    又因為R1兩端電壓和R2兩端電壓相等，即Ie·R=I₅·R₂，
    可求得：I₅=I₉I_e
    I₆=I₅+I_e=20I_e    (1-2)
    由(1-1)、(1-2)可導出：
    I_o=I₈+2mA=(40/Rs+0.016Ω)ein+4mA
2．要點分析
    (1)增益調節
    Rs為增益調節電阻，調節Rs可使輸入電壓ein在從最小值變到最大值時使輸出電流Io從4mA變到20mA。即△I=16mA的輸出電流。需要注意的是：為使Io不超過20mA，當Rs=∞時，ein不應超過1V，而當Rs減小時，ein也應相應減小。
    (2)輸入偏置
    由於XTR101使用的是單電源，因此在正常工作時，信號輸入端應加+5V左右的偏置電壓。該電壓可利用2個內部參考電流源或其中之一通過一個電阻產生，如圖3中的R2。
 
圖3熱電偶測溫電路
    由於2個輸入端都存在直流偏壓，這就相當於在放大器的輸入端存在一個共模電壓，XTR101的技術指標中已經包含了這部分誤差。如果偏置不是5V，而是另外一個共模電壓CMV，則會在輸入端引入(CMV-5)/CMRR的失調誤差(CMRR是共模抑制比)。
    (3)零點調整
    XTR101可以把任何範圍(小於1v)的電壓信號變換為4～20mA的輸出電流，它的任務就是在輸入電壓最小時使輸出電流為4mA，即零點調整，也就是使零點能夠上下偏移。可利用圖3中的電阻R3和1mA的內部參考電流源在R3上所產生的壓降V3來作為偏移電壓進行零點調整。即調節R3，讓其在V3=(V3)min時，使
ein=V4-(V3)min=0。
    (4)溫度補償
    當熱電偶測溫時，其冷端溫度受環境變換影響較大，從而會影響最後測量的電信號。為了能得到穩定的電信號，以便算出真實的待測溫度，需要對熱電偶的冷端進行溫度補償。
    我們選用鉑電阻作為補償元件，是因為它在常溫下具有很好的穩定性。
    設熱電勢為E(t，t0)，若冷端溫度t0變化t1后，熱電勢就變為E(t，t1)，
    即△E=E(t，t0)-E(t，t1)，鉑電阻就是用於對隨溫度變化的△E進行自動補償。將鉑電阻和熱電偶的冷端一同置於室內環境溫度下，將熱電偶放入冰水混合液中。調節R3使輸入電壓為0mV，而在其後的各溫度點進行測量時，不再調節R3，雖然環境溫度會變化，對熱電偶有影響，但鉑電阻的阻值也會隨環境溫度的變化而變化，導致其兩端的電壓改變，這種變化的電壓就是用於抵消熱電偶受溫度變化影響的電勢，從而達到補償目的。
    我們選用分度號為100的鉑電阻，即在0℃時的電阻為100Ω，在266℃時的電阻為200Ω，所以鉑電阻的敏感係數為△R/△t=100Q/266℃，在溫度為t時刻時，鉑電阻的阻值Rpt=100Ω+(100Ω/266℃)t。

3．各參數的選擇計算
(1)增益調節電阻
    為了實驗的調節方便，選擇溫度範圍：0℃～100℃。當t=100℃時，Io=20 mA，RL選510Ω，所以URL=10.2V，這就需要調節Rs，即調節增益電阻。當溫度為0℃時，熱電偶電壓E為0 mV，靈敏度為：0.04mV/℃。
    當溫度為0℃時，Io=4mA，ein=0mV；
    當溫度為100℃時，Io=20mA，ein=4mV。
    根據公式(1-1)：△Io=(40/Rs+0.016/Ω)△ein
    又因為△Iomax=20mA-4mA=16mA，△emax=4mV-0mV=4mV
    所以有16 mA=(40/Rs+0.016/Ω)4mV
    得Rs=10Ω
 (2)調零電阻和溫度係數補償電阻
    將熱電偶的熱端置於100℃的溫度環境中，設此時環境溫度為20℃。由於熱電偶的溫度係數為0.04mv/℃，若其冷端感應的溫度由20℃變化至100℃，則熱電偶兩端的電壓由3.2 mV變化至0mV，電壓差為3.2mv。這個差值應由Rpt100和R1的並聯電阻兩端電壓自動補償。
    當冷端溫度為20℃時，Rpt100=1000+(100Ω/266℃)*20℃=107.52Ω。
    當冷端溫度為100℃時，Rptl00=100Ω+(100Ω/266℃)*100℃=137.6Ω。
    由：[137.6*R1/(137.6+R1)-107.52*R1/(107.52+R1)]*1mA=0.04mV/℃*(100-20)℃
    可得：R1=51.7Ω。
    根據公式：Io=(40/Rs+0.016/Ω)ein+4mA，和Io的輸出範圍：4mA～20mA當T=0℃時，要使Io=4mA，就要調節R3，既調零電阻。將熱電偶熱端置於0℃的溫度環境中。此時環境溫度仍為20℃，即溫差為-20~C，熱電式E=-20℃·0.04mV/℃=0.8mV，3、4間的輸入信號ein=0mV，Rpt100(20℃)=100Ω+(100Ω/266℃)*20℃
=107.52Ω。
  根據圖3，可得：
  V4=E(t,t0)+1mA·[Rpt100(20℃)/(Rpt100(20℃)+R1)]
  V3=1mA·R3
  在0℃測量點(零點)：V4=V3，
  即：1mA·[107.52-51.7/(107.52+51.7)]-0.8 mV=1mA*R3
  可推出：R3=34.11Ω

四、調試及測量
1．調試
    (1)調零。將熱電偶觸頭放入冰水混合液中，即0℃中。接上電源后，邊調節電位器R3，邊測RL兩端電壓，直至RL兩端電壓約為2.04V，即輸出電流Io為4 mA。
    (2)將熱電偶放入沸水中，接上電源后，邊調節電位器Rs，邊測RL兩端電壓，直至RL兩端電壓約為10.2V。即輸出電流10為20mA。
    (3)將熱電偶插入加熱爐內的測試端，控制爐內溫度，從0℃開始，每上升20℃，測量一次RL兩端電壓，直到100℃。

2．數據分析
    在量程範圍內等間距取樣5個點，分別按照正行程、反行程，測出輸出電流，其數據曲線如圖4所示，計算出線性度、靈敏度、重複性及遲滯。
 
    (1)靈敏度S
    S=△Y/△X=(20-4)/(100-0)=0.16mA/℃
    (2)線性度δL
    圖4理論直線為白色，實際特徵曲線為紅色
    δL=|16.71-16.80|/(20-4)×100％=0.56％
    (3)重複性δK
    δK=(16.78-16.65)/(20-4)×100％=0.81％
    (4)遲滯δH
    δH=(16.78-16.61)/(20-4)×100％=1.06％
    (5)精度A
    A=√(δL)2+(δK)2+(δH)2=1.44％

五、結論
    這套熱電偶溫度變送器的測量精度達到1.44％，即滿量程誤差為1.44℃，完全能滿足實際要求。並且該系統選價適中，元件少，電路結構清晰，性能穩定，不僅能直接應用於工業溫度測量，還將對以後感測器教學、實驗及畢業設計具有指導意義。