二線制溫度變送器的設計

一、簡介
    二線制溫度變送器分別與熱電偶和熱電阻相配合，可以將溫度信號線性地轉換成4~20mA 直流標準輸出信號。二線制溫度變送器應具有如下主要特點：

1. 二根線完成電源的輸入及4~20mA直流電流輸出, 即二根線既是電源線也是4~20mA標準信號輸出線。
2. 由於二線制一體化變送器安裝在感測器接線盒中,所以必須有良好的可靠性、穩定性及較寬溫度工作範圍(0~85℃)和較小的溫漂，同時要求體積儘可能小。
3. 在熱電偶和熱電阻溫度變送器中採用了線性化電路，從而使變送器的4~20mA 輸出信號和被測溫度呈線性關係。
4. 在熱電偶溫度變送器中，要進行冷端補償，冷補範圍0~100℃。

    變送器在線路結構上分為量程單元和放大單元兩個部分，其中放大單元是通用的，而量程單元，則隨品種、測量範圍的不同而不同。設計電路結構如圖1所示。
 
    圖中粗線為電源線，細線為信號流程，兩根外接導線既是電源線也是信號線。4~20mA 信號體製為二線制設計提供了可能性，當被測信號從下量程到上量程 （0％~100％）變化時，二根傳輸線上電流對應4~20mA 變化； 4mA作為變送器電路工作損耗電流，也易於識別斷線斷電故障。RL 為信號採樣負載電阻(RL≤250W) 。V(AB) 須大於12V以保證系統的正常工作。 在電源正常(17~30V) 的前提下, 迴路4~20mA電流I 由輸入熱電阻R 或熱電偶mV信號確定。
    通過框圖我們可以看到，首先，需要對信號源所產生的信號進行採集，然後將採集到的信號進行放大、線性化調整、調零調滿，最後通過V/I 轉換把線性反映溫度大小的電壓信號轉化為電流信號I1（0~16mA），加上電路的4mA 靜態工作電流I2 形成4~20mA 電流信號通過二線制電源線輸出。對於熱電偶變送器，採用一個小型CU50 熱電阻來測量冷端的溫度，進行冷端補償。兩種變送器都採用了LM124集成運放，它是四組獨立的高增益的內部頻率補償運算放大器。它可以適應本電路單電源工作的要求，電源電壓範圍大，溫度特性很好，性價比高，在後面電路中所用運放全都是LM124。

二、熱電阻二線制變送器的設計
    熱電阻二線制變送器詳細電路圖如圖2(Pt100 為例)所示,下面就各部分工作原理作一下介紹。
 
圖2 熱電阻二線制變送器電路圖
1、信號採集電路
    熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化而變化的特性測量溫度, 常用的有鉑電阻Pt100、Pt10 銅電阻Cu50、Cu100 等。 其阻值與溫度關係可通過分度號表查詢。
    圖中是以Pt100 熱電阻為例（在這裡，可以採用其他的熱電阻，如Cu50、Cu100 等） ，TL431 是2.5V 穩壓二極體，D2是一個保護二極體，防止輸入電壓反接可能帶來的對電路的影響或者破壞。R1 是限流電阻，R2、R3、R4 與R5(Pt100)配合使用，組成一個電阻測量電橋。由於一體化二線制熱電阻變送器安裝在接線盒內，引線電阻忽略不計。R1、R2、R3、R4 可以確定下來（其值見圖2），其中熱電阻R5 隨著溫度變化而變化。R4 根據採用的熱電阻分度號不同而取不同的值。如Pt100 測量時R4 取100W，Cu50 測量時R4取50W。電橋中間兩點電壓作為後續差動放大器的輸入信號。分別為：
 
因R2=R3>>R4 及R5, 故：
 

2、一級放大電路和線性化調整電路
     該電路功能之一是把採集到的微弱信號放大,在本級電路中採取了差動放大。同時，與該放大電路連接在一起的還有一個正反饋非線性調整電路，它的主要功能是對熱電阻與溫度電阻間的非線性進行修正,保證放大器的輸出電壓被測溫度成線性關係。R7、R8、R9 以及LM124 構成了放大電路。對於該局部電路，輸入信號來自採集到的信號V 和V'，輸入信號分別各自經過R7、R8 進入LM124 的第一組運算放大器, 得到輸出電壓V1（在這裡沒考慮非線性調整電路即反饋迴路R6 對電路輸入的影響）。
V1=V'+ R9 (V-V')/R8
此外，在該電路中還有一個非常重要的部分，那就是線性化調節電路，即本電路中的R6。對於線性化調節的過程以及原理，我們可以用圖3 加以解釋。
 
    圖中虛線表示沒有進行線性化調節時輸出電壓隨源溫度變化時的曲線，圖中實曲線則表示進行R6 非線性化調節的具體過程，隨著溫度升高，輸出電壓隨之提高，正反饋影響增強，只要R6 阻值合適可剛好抵消熱電阻本身非線性的影響，使得輸出電壓和溫度為線性關係，即圖3中直線所示。根據線性化調整原理，線性調整電阻R6 的反饋電壓V反為：
 
則實際輸出：
 
由於熱電阻線性較好, 經計算調校本電路中R6=8.2k，熱電阻非線性修正可以達到千分之二的精度。

3、調零、電源平衡及二級放大電路
    對零點進行調節的電路，實質上就是調節本級放大電壓輸出的大小, 保證在信號源零度（R5=100W, 第一級放大器輸出為零）時整個迴路電流I1=4mA。它由R10、R16、R13、W1 組成，實質上就是在本級電壓輸入正端疊加一個調零電壓，使不足4mA 的靜態工作電流達到4mA。此外，在該電路中，還有一個部分，那就是減小電源波動對電路輸出的影響，即電路中的R15,它可以抑制電源波動帶來的影響。當外界電壓源發生較大的波動時(或負載電阻RL 變化)，電路靜態工作電流會發生微小變化,我們可以利用R15 來穩定輸出電流。其工作原理一方面是電源增大帶來靜態電流增加,另一方面電源的增大通過R15 加到本級放大器的負端起到減法作用, 使本級輸出電壓下降, 選擇合適的R15 阻值, 可以保證電源在允許範圍內波動時輸出電流的穩定。R17 決定二級放大倍數。

4、調滿電路和V/I 轉換電路
    調滿電路是由R18、R20、W2組成的對上一級電壓輸出V2 分壓構成。通過對W2 的調節，使得最後輸出（信號源最高輸入時整個電路的輸出）達到要求的輸出結果V(W2 中間抽頭電壓)。R21、R22、R23、R24、R25 及運放組成一個V/I 轉換電路, 由於R22、R23、R24 均為200k的大電阻，R25 為100W的小電阻，整個電路電流輸出I2≈V/R25。R26是一個負載電阻。

三、 熱電偶二線制變送器電路設計
    熱電偶二線制變送器電路和熱電阻二線制變送器主要區別在於信號採集和非線性修正部分, 下面我們就這兩部分別作介紹。
1、信號採集和一級放大電路
 
    熱電偶的輸出是隨被測溫度變化的mV信號。該局部電路設計如圖4 所示。在電路中，TL431 的作用是輸出穩定的2.5V。D0 是一個保護二極體，它可以保護電源輸入正負反相對電路的危害。通過R3和TL431分壓，使TL431 兩端的工作電壓保持在2.5V，並為後面的冷端補償，為修正電路和調零電路提供直流電源。在此電路中，銅線繞制的熱電阻Cu50 起冷端補償作用。當熱電偶的熱電勢E12隨冷端溫度的變化而變化時，銅電阻 Cu50 兩端的電壓也隨之反方向變化，如果分壓電阻R2的阻值選擇適當，則Cu50 兩端電壓的變化能自動的補償冷端溫度變化對熱電偶熱電勢的影響。根據冷端補償的定義，應使50℃與0℃時Cu50 兩端的電壓差等於熱電偶在50℃ 時的熱電動勢，當冷端溫度為零度時存在的電壓50/(R2+50)×2500mV通過後面的調零電路解決，以鎳鉻-鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號K）測量變送範圍0~1300℃為例，
K 分度50℃ 時輸出熱電勢等於2.022mV 即：
 
由此可求得：R2=13k。
    電路中，熱電偶mV信號和冷補銅電阻兩端電壓相加，經過R4 輸入到LM124 的第一級放大器，根據放大器工作原理，我們可以得出輸出電壓（設包括熱電偶及冷補之和的輸入信號為V）V1=V(1+R6/R5)。 設計考慮使得當熱電偶的溫度達到最大值(1300 ℃ 對應熱電勢為52.398mV)，放大器的輸出電壓為2.5V。也就是說，熱電偶冷端溫度為0℃ 時的電壓加上熱電偶的最大熱電勢，再乘以放大倍數應等於2.5V，即：
 
其中，K 為LM324 的放大倍數,由此可計算出K=40，如果取R4=R5=5.1k，則R6 應為180k。

2、線性化調整電路和二級放大電路
    該局部電路（這一級輸出V2）是本電路中十分重要的環節，同時也是比較難的環節。因為它涉及到整個電路的線性調節。放大部分在前面已經敘述，現在就線性調節問題加以闡述。具體電路如圖5 所示（圖中幾個二極體連接的電路就是線性修正電路）。電路中的R9、10、
R11、R13、R14、R15、R16 均為斷開，只有在需要時，我們才加上該電阻。
 
    本電路是用一非線性放大電路去校正被測參數的非線性特性, 其原理就是由二極體補償電阻組成的折線並聯支路在輸入信號的不同位置相續起作用, 使放大器在信號大小不同位置放大倍數不同, 其非線性特性剛好和被測熱電偶非線性特性相反。在本電路中採用六個折點(三個為正三個為負), 折點的位置可改變支路二極體導通電壓調整, 調整折線支路電阻大小可改變折線補償斜率。在實際設計過程中，可取幾個點進行修正，對於K 分度（檢測範圍0~1300℃）,首先可以假定在0~100℃ 範圍近似線性，非線性誤差忽略不計，另外再取500℃、900℃、1300℃ 作為修正檢測點，當檢測點值在要求線性值以上，則表示輸出值偏大，這就需要降低輸出，具體措施就是連接D7~D12 中某一級調整電路；反之則連接D1~D6 中某一級調整電路。電路中拐點選擇二極體可根據修正的需要選用硅管或鍺管。調整方式如下：首先以0℃ 調零1000℃ 調滿, 然後按以下順序反覆調校：
A 、對 100℃~500 ℃ 段非線性調整時，我們可以連接D1或者D12 這一級，然後調整R9或者R16 電阻大小來改變放大器的放大倍數，使其達到規定輸出值。如果檢測到輸出值偏小，要選擇R9 D1，計算調整R9 的阻值,促使本段運放放大倍數上升，直到輸出電壓增大到要求線性值。如果我們檢測到輸出值偏大，則需要選擇R16 、D12。並調整R16阻值，促使本段運放放大倍數下降輸出電壓減小到要求線性值。
B 、在調節500 ℃~ 900℃段非線性調整時，我們可以連接D2、D3 或者D10、D11，然後調整R10 或者R15 的大小。
C、對900 ℃~ 1300℃ 段非線性調整時，根據檢測點1300℃ 輸出值偏大或偏小決定選擇連接的是剩下兩個折線補償支路(三個二極體)的哪一路,方法同上。
    和熱電阻變送器相同，在該電路中的R12 的作用是修正電源波動時對整個電路的影響。防止電壓源不穩定造成4~20mA 波動。調零調滿及V/I 轉換電路也和熱電阻相同在此不再贅述。