热电偶温度变送器作业.docx

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热电偶温度变送器作业

课程设计任务

书

学院：

河南工业职业技术学院

院系：

电子工程系

班级:

电子信息0904班

姓名：

牛红超

学号：

0501090405

小组成员：

李彩行牛红超

指导老师：

王林生

日期：

2011年6月3日

热电偶温度变送器课程设计任务书

一、主要内容

设计一个带冷端补偿的温度变送器。

其中我们用K型热电偶作为感温元件，用

作为冷端的自动补偿电路的元件，使冷端工作在一个易于计算的环境下，用XTR101把传感器的电压信号放大并自动地变换成标准电流信号。

并通过对输出电压的测量实现对温度的测量。

二、基本要求

（1）设计测量温度范围-100～500°C的热电偶传感器。

（2）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。

（3）有电路图（protel绘制），选型与有关计算，精度分析等。

（4）采用实验室现成的热电偶进行调试。

（5）完整的实验报告。

三、主要参考资料：

赵广林.protel99电路设计与制版.北京：

电子工业出版社，2005

程德福,王君.传感器原理及应用.北京：

机械工业出版社，2007

目录

一、设计目的..............................4

二、课程设计的任务要求......................4

三、课程设计的基本原理......................4

1、热电偶测温原理.........................4

2、变送器原理框图.........................5

四、课程设计的主要内容......................5

1、热电偶的选择...........................5

2、设计构架..............................6

3、具体电路的设计.........................8

附图PCB布线图.............................13

五、课程设计总结...........................14

六、参考文献...............................16

热电偶温度变送器设计

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、课程设计的任务要求

任务要求：

（1）设计测量温度范围-100~500℃的热电偶传感器

（2）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

（3）有电路图（PROTEL绘制），选型与有关计算，精度分析等

（4）采用实验室现成的热电偶进行调试

三、课程设计的基本原理

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1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-100～500℃。

2、变送器原理框图

图2变送器原理框图

四、课程设计的主要内容

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：

（S型热电偶）铂铑10-铂热电偶

（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶

（B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶

（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶

（N型热电偶）镍铬硅-镍硅热电偶

（E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶

（J型热电偶）铁-铜镍热电偶

（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：

Ni：

Si=97：

3，其使用温度为-200~1300℃。

其主要特点：

（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、设计构架

（1）设计要求

整套系统要求在-100～500℃范围对应输出4mA～20mA的电流型温度变送器。

在实际的工业化需求中，往往需要设计为标准信号的变送器，以便与仪表和后续接口电路兼容。

在输出为模拟信号时，有电压型和电流型两种变送器。

电压型变送器的输出为0～5v，虽然其在信号处理方面具有优势，但抗干扰能力较差，在远距离传输时信号衰减大，而电流型变送器却在这方面独具优势。

因此在工业实践中得以广泛应用。

通常，电流型变送器有输出0～20mA和4～20mA两种。

对于输出0～20mA的变送器，虽然电路调试及数据处理都比较简单。

但对于输出4～20mA的变送器，能够在传感器线路不通时，通过是否能检测到正常范围内的电流，判断电路是否出现故障，因此使用更为普遍。

（2）电路功能

【1】温度补偿

图3补偿电路

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、具体电路的设计

（1）XTR101信号调理芯片

为了得到稳定的4mA~20mA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=1kΩ，R2=52.6Ω，R3=R4=1.25kΩ，Rs为调增益的电阻。

图4XTR101芯片内部电路图

；

；

。

且

;

。

可导出：

（1—1）

又因为R1两端电压和R2两端电压相等，即

可求得：

（1—2）

有上式可导出：

（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5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4～20mA的输出电流，它的任务就是在输入电压最小时使输出电流为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100Ω，在100℃时的电阻为142.80Ω，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=100Ω+（42.8Ω/100℃）t。

（3）各参数的选择计算

【1】增益调节电阻

  因为设计要求，选择温度范围：

-100℃～500℃。

当t=500℃时，Io=20mA，RL选510Ω，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/Ω）△Ein

  又因为△Iomax=20mA-4mA=16mA，△Emax=31.8mV-0mV=31.8mV

  所以有16mA=（40/Rs+0.016/Ω）31.8mV

  得Rs=77Ω

【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偿。

当冷端温度为20℃时，Cut100=100Ω+（42.8Ω/100℃）*20℃=108..56Ω。

当冷端温度为100℃时，Cutl00=100Ω+（42.8Ω/100℃）*100℃=148.8Ω。

[148.8*R1/（148.8+R1）-108.56*R1/（108.56+R1）]*1mA=0.053mV/℃*（100-20）℃

可得：

R1=61.3Ω。

根据公式：

Io=（40/Rs+0.016/Ω）Ein+4mA，和Io的输出范围：

4mA～20mA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=-20℃·0.053mV/℃=1.06mV，3,4间的信号输入Ein=0mV，Cu100（20℃）=100Ω+（48.8Ω/100℃）*20℃=109.6Ω

根据图3，可得：

 V4=E（t,t0）+1mA·[Cu100（20℃）/（Cu100（20℃）+R1）]

 V3=1mA·R3

 在0℃测量点（零点）：

V4=V3，

 即：

1mA·[108.56-61.3/（108.56+61.3）]-1.06mV=1mA*R3

 可推出：

R3=97.84Ω

（3）调试

【1】调零。

将热电偶触头放入冰水混合液中，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

图6PCB板布线图

五、课程设计总结

这一周，我们进行了传感器的课程设计，传感器与测试技术是一门理论性和实践性都很强的专业基础课，也是一门综合性的技术基础学科，它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识，同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量（如力、振动、噪声、压力和温度等）的测定，以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。

许多测试理论和方法只有通过实际验证才能加深理解并真正掌握。

实验就是使学生加深理解所学基础知识，掌握各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围；具有测试系统的选择及应用能力；具有实验数据处理和误差分析能力；得到基本实验技能的训练与分析能力的训练，使学生初步掌握测试技术的基本方法，具有初步独立进行机械工程测试的能力，对各门知识得到融会贯通的认识和掌握，加深对理论知识的理解。

测试技术实验课是本门课程的重要环节，其目的是培养学生的分析和解决实际问题的能力，从而掌握机械工程测试技术手段，为将来从事技术工作和科学研究奠定了扎实的基础.

通过本门课程实验，以下能力得到了较大的提高：

1、了解常用传感器的原理和应用，以及传感器使用的注意事项及各种测试中不同传感器的选择方法。

2、培养具有综合应用相关知识来解决测试问题的基础理论；

3、培养在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力；

我们必须坚持理论联系实际的思想，以实践证实理论，从实践中加深对理论知识的理解和掌握。

实验是我们快速认识和掌握理论知识的一条重要途径。

我们认为，在这学期的实验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。

更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。

而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

六、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，2005

2程德福,王君.传感器原理及应用.北京：

机械工业出版社，2007

3张宏建,蒙建波.自动检测技术与装置.北京：

化学工业出版社，2004

4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，2000

5王福瑞.集成电路器件大全.北京航天航空出版社，1999