热电偶温度变送器作业.docx

1、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-100500C的热电偶传感器。（2）选用合适的热电偶

2、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.41、热电偶测温原理.42、变送器原理框图.5四、课程设计的主要内容.51、热电偶的选择.52、设计构架.63、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

3、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-100500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

4、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-100500。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

5、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

6、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-2001300。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-100500范围对应输出4mA20mA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

7、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05v，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020mA和420mA两种。对于输出020mA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420mA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

8、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4mA20mA的输出电流，我们选用常用

9、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

10、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4 XTR101芯片内部电路图；。且;。可导出： （11）又因为R1两端电压和R2两端电压相等，即可求得： （12）有上式可导出： (2)要点分析 【1】增益调节 Rs为增益调

11、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1

12、v)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

13、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=

14、100+(42.8/100)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：-100500。当t=500时，Io=20 mA，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0 mV，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16 mA=(40/Rs+0.016/

15、)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3.2 mV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=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=0.053m

16、V/*(100-20)可得：R1=61.3。根据公式：Io=(40/Rs+0.016/)Ein+4mA，和Io的输出范围：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

17、.3/(108.56+61.3)-1.06 mV=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，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4 mA。 【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6 PCB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

18、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

19、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，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