電流型熱電偶溫度變送器的設計
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熱電偶是工業(yè)上廣泛使用的溫度傳感器,它最大的優(yōu)勢就在于溫度測量范圍極寬,理論上從-270℃的極低溫度到2800℃的超高溫度都可以測量,并且實際應用中在600℃-2000℃的溫度范圍內可以進行最精確的溫度測量。在化工、石油、電力、冶煉等行業(yè)的自動化控制系統(tǒng)中熱電偶發(fā)揮著對溫度的監(jiān)控作用。因此我們開發(fā)設計出一套具有較高精度和穩(wěn)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(tǒng)要求在0~100℃范圍對應輸出4mA~20mA的電流型溫度變送器。
在實際的工業(yè)化需求中,往往需要設計為標準信號的變送器,以便與儀表和后續(xù)接口電路兼容。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(yōu)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(yōu)勢。因此在工業(yè)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。對于輸出0~20mA的變送器,雖然電路調試及數據處理都比較簡單。但對于輸出4~20mA的變送器,能夠在傳感器線路不通時,通過是否能檢測到正常范圍內的電流,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于熱電轉換效應。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(huán)境變換影響較大,從而會影響最后測量的電信號。為了能得到穩(wěn)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,采集溫度信號;鉑電阻作為補償電阻,補償熱電偶的冷端溫度;XTR101為小信號處理專用芯片,將輸入的微弱信號放大后便于遠端傳輸;RL為遠端的負載電阻,便于電信號的測量。
三、具體電路的設計
1.XTR101信號調理芯片
為了得到穩(wěn)定的4mA~20mA的輸出電流,我們選用常用的信號放大芯片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并變換成4mA~20mA的電流信號后進行遠距離傳送。它由一個高精度的儀表放大器、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;輸出范圍4mA~20mA;增益調節(jié)端為Rs端;電源端Vcc=24V。
XTR101芯片電路圖如圖2所示,R1=1kΩ,R2=52.6Ω,R3=R4=1.25kΩ,Rs為調增益的電阻。
圖2 XTR101芯片電路圖
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=Ie。
可導出:Ie=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
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