热工控制仪表课设(最终).doc

内蒙古工业大学课程设计说明书引 言热电阻温度变送器有输入回路、反馈回路、放大器、稳压源等部分构成。偏差报警单元在控制系统的偏差超出给定范围时，发出报警信号。报警信号有继电器的触点输出，可以用来接通报警灯、报警电铃等回路，也可以间接得 驱动执行机构，采取必要的紧急措施它与热电阻温度变送器的相结合是这个系统的难点。需要让温度的微弱变化在的误差范围准内许通过报警器显示出来。14第一章 热电阻温度变送器量程单元1.1 热电阻温度变送器为便于分析，将量程单元和放大单元中的运算放大器联系起来画于图2-42。热电阻温度变送器的整机线路见图1.1.1。图1.1.1中为热电阻，r1、r2、r3为其引线电阻，VZ101VZ104为限压元件。两端的电压随被测温度t而变，此电压送至运算放大器IC1的输入端。零点调整、迁移以及量程调整电路与上述两种变送器基本相同。热电阻温度变送器也具有线性化电路，但这一电路是置于输入回路之中。此外，变送器还设置了热电阻的引线补偿电路，以消除引线电阻对测量的影响。下面对这两种电路分别加以讨论。图1-1 热电阻温度变送气量程单元电路原理图1.2 线性化原理及电路分析热电阻线性化电路原理如图1.2.1所示。图中为基准电压。的输出电流流经所产生的电压通过电阻加到的同相输入端，构成一个正反馈电路。现把看成理想运算放大器，即偏置电流为零，由图1.1.1可得 (1-1) (1-2) 由上两式可求得流过热电阻的电流和热电阻两端的电压分别为 (1-3) (1-4) (1-5)如果1，即，则由式(13)可以看出，当随被测温度的升高而增大时，将增大。而且从式1.1.1可知，的增加量也将随被测温度的升高而增大，即和只t之间呈下凹形函数关系。因此，只要恰当的选择元件变量，就可以得到和之间的直线函数关系。图1-2线性化电路原理图1.3 引线电阻补偿电路为消除引线电阻的影响，热电阻采用三导线接法。三根引线的阻值要求为r1r2r31。由电阻R23,R24,r2所构成的文路为引线电阻补偿电路。若不考虑此电路，则热电阻回路所产生的电压信导为 (1-6)此式表明,若不考虑引线电阻的补偿，则两引线电阻的压降将会造成测量误差。当存在引线电阻补偿电路时，将有电流 通过电阻r2和r3。调整R24，使IrIt，则流过r3的两电流大小相等而方向相反，因而电阻r3上水产生压降。在r1上的压降Itr和Ir在r2上的压降分别通过电阻R30、R31，和R29引至的反相端，由于这两压降大小相等而极性相反并且设计时取R29R30+R31，因此引线rl上的压降将被引线r2上的压降所抵消。由此可见，三导线连接的引线补偿电路可以消除热电阻引线的影响。应当说明，上述结论是在电流IrIt的条件下得到的。由于流过热电阻的电流不是一个常数，因此IfIt只能在测温范围内某一点上成立，即引线补偿电路只能在这一点上全补偿。一般取变送器量程上限一点进行全补偿，就是说使补偿电路的Ir等于变送器量程上限时的It。第二章 放大单元的工作原理2.1 功率放大电路功率放大器线路如图2.1.1所示，由复合管、VT2及其射极电阻、隔离变压器To等元件组成。它由直流交流直流变换器输出的交流方波电压供电，因而不仅具有放大作用，而且具有调制作用，以便通过隔离变压器传递信号。作用：将运算放大器输出的电压信号转换成具有一定负载能力的电流信号，同时，通过隔离变压器实现隔离输出。图2-1功率放大器原理图在方波电压的前半个周期，二极管导通，VD2截止，由输入信号产生电流；在后半个周期内，二极管VD2导通，截止，从而产生电流 由于和轮流通过隔离变压器To的两个绕组，于是在铁芯中产生交变磁通，这个交变磁通使的副边产生交变电流 ，从而实现了隔离输出。采用复合管是为了提高强人阻抗，减少线性集成电路的功耗。引入射极电阻，一方面是为了稳定功率放大器的工作状态，另一方面为了从两端取出反馈电压。由于只阻值为50，故当流过的电流为420mA(其值与输出电流相等)时，反馈电压信号为0.21V，此电压送至量程单元，经过线性电阻网络或经过线性化环节反馈送到运算放大器的输入端，以实现整机负反馈。2.2 隔离输出为了避免输出、输入之间有直接电的联系，在功率放大器与输出回路之间采用隔离变压器To来传递信号。To-实为电流互感器，交流比为1：1所以输出电流等于功放电路复合管集电极电流。图2-2 隔离输出电路图隔离输出电路如图2.2.1所示。副边电流经过桥式整流和由、组成的阻容滤波器滤波，得到420mA的直流输出电流，在阻值为250的电阻上的压降(15V)作为变送器输出电压信号。稳压管的作用在于当电流输出回路断线时，输出电流可以通过而流向，从而保证电压输出信号不受影响。二极管、的作用是当输出端6处出现异常正电压时，二极管短路，将熔断丝烧断，从而对电路起保护作用。2.3 直流-交流-直流转换器直流-交流-直流转换器工作过程为：先把电源供给的24V直流电压转换成一定频率的交流方波电压，再经过整流、滤波、稳压提供给直流电压。DCACDC变换器用来对仪表进行隔离式供电。该变换器在DDZ皿型仪表中是一种通用部件，除了温度变送器外，安全栅也要用它。它先把电源供给的24V直流电压转换成一定频率(45kHz左右)的交流方波电压，再经过整流、滤波和稳压，提供直流电压。在温度变送器中，它既为功率放大器提供方波电源，又为集成运算放大器和量程单元提供直流电源。工作原理 直流交流变换器(DCAC)是DCACDC变换器的核心郡分。DCAC变换器实质上是一个磁耦合对称推挽式多谐振荡器。该变换器线路如图234所示。图R13、R9和及R10为基极偏流电阻，R13太大会影响启振，太小则会使基极损耗增加。和为发射极电流负反馈电阻，用以稳定晶体管VT3、VT4的工作点，二极管VDl9，是用来防止电源极性接反而损坏变换器；VD9VD12作为振荡电流的通路，并起保护三极管VT3、VT4的作用。电源接通以后，电源电压通过为两个晶体管和提供基极偏流，从而使它们的集电极电流都具有增加的趋势。由于两个晶体管的变量不可能完全相同，现假定晶体管的集电极电流增加得快，则磁通向正方向增加。图2-3 直流交流变换器根据电磁感应原理，在两个基极绕组和上分别产生感应电势和，其方向如图2.3.1所示。由于同名端的正确安排，感应电势的方向遵循正反馈的关系，将使晶体管截止，而则使的基极回路产生，这使增加，的增加又使更大。这样，瞬间的正反馈作用使立即到达最大值，从而使立即进入饱和状态。处于饱和状态时，其管压降极小，在此瞬时，可认为电源电压等于集电极绕组上的感应电势，于是可从下式得知基极绕组的感应电势的大小。 (2-1) 因为感应电势的大小与磁通的变化率成正比，即 (2-2)而近似为一常数。所以，铁芯中的磁通将随时间线性增加，在铁芯磁化曲线的线性范围内，励磁电流亦随时间线性增加。这时，由于发射极电位的不断增加，基极电流呛将要下降，可从的基极回路列出以下关系式。 (2-3) 由此可见，在集电极电流地(近似等于)随时间线性增加的同时，基极电流如将随时间线性下降，直至两者符合晶体管电流放大的基本规律为止。这时的工作状况由饱和区迟到放大区，集电极电流达最大值，与此同时磁通由也到达最大值由，而不再增加。由于0，基极绕组感应电势立即等于零， 也立即由变为零。根据电磁感应原理，感应电势立即转变方向。在反向的作用下，立即截止，而反向的使立即饱和导通，这是另一方向的正反馈过程。随后开始向负方向增加，磁通继续下降，基极电流如的绝对值逐渐减小，直至使自饱和区退到放大区。此时集电极电流达负向最大，磁通由为-。按照同样的道理，使截止，又重新导通，如此周而复始，形成自激振荡。振荡频率 对于理想的变换器，当晶体管集电极电流达到最大值时，罐形磁芯接近饱和，即在时间内磁通由-曾加到 。因此，根据磁感应公式 可求得振荡周期。从磁感应公式可得 (2-4) (2-5)上式中为磁感应强度，S为磁芯截面积。从上式可以看出，频率与电源电压的幅值成正比。第三章 偏差报警单元3.1 偏差报警电路 偏差报警单元在控制系统的偏差超出给定范围时，发出报警信号。报警信号由继电器的触点输出，可以用来接通报警灯、报警电铃等回路也可以间接地驱动执行机构，采取必要的紧急措施。 偏差报警单元的原理图如图3.1.1所示。它接受调节器偏差差动电平移动电路的输出信号2（），当时，电路就发出报警信号。图3-1 偏差报警单元原理图 此电路产生偏差报警信号的条件是 UT9UF9或 UT10UF10 只要两个条件中的一个条件满足，VTI导通，VT2亦导通使继电器K励磁，发出报警信号。 假设，备电源内阻为零，电路在报警前有 (3-1) 和(3-2)代入或得 或 (3-3)即在时，电路为报警状态。报警后，和均处在导通状态。解除报警的条件分以下两种情况来讨论。 （1）在报警后。由于此时 (3-4)要解除报警必须满足 于是解赊报警的条件为(3-5) （2）在报警后，由于此时 (3-6) 要解赊报警必须满足 于是解除报警的条件为 (3-7) 由式（3-5）和式（3-7）可知在上述两种情况下，解除报警的滞后值分别为和滞后值是根据实际需要特意设置的否则在报警给定值附近将出现报警动作的振荡现象。解除报警时的滞后一般为12（满量程）。 和比的大小取决于R和R的阻值，为使两者相等，R应等于R。这两个电阻还具有正反馈作用，其上的电压反馈至运算放大器的同相输人端，可以加速电路的报警动作。电路中的R和C是为了提高抗干扰能力而设置的。第四章 电平的移动4.1 输出电流的转换图4-1 乘除器的输入电路当为理想运算放大器时有 ， (4-1)令，得;(4-2)其中=1V5V令=Y；把=1V和5V;代入上式得到（1）和（2）关系：（1）=-（2）。得到3Y=X;结 论温度检测及热电阻温度变送气在自动控制中发挥着非常重要的作用。本文按照任务书的要求，完成了温度检测及热电阻温度变送气电路部分的设计，本文的主要内容是关于对热电阻温度检测系统的测温原理和基本定律进行阐述，并对它们的结构、特点一一做了介绍，从而进一步引出了检测系统的量程单元和放大单元部分，并作了详细的分析。由于来自量程单元的输入信号很小，先设置了一个电压放大电路；在其后设置了一个功率放大电路，把运算放大器输出的电压信号转换成具有一定负载能力的电流信号；在功率放大电路与输出回路之间设置了一个隔离变压器，以避免输出与输入之间有直接电的联系；最后还设置了一个