热电偶温度变送器)解读.doc

1、传感器技术课程设计成绩评定：传感器技术课程设计题目热电偶温度变送器传感器技术课程设计摘要一个电子产品的设计、 制作过程所涉及的知识面很广；加上电子技术的发展异常迅速， 新的电子器件的功能在不断提升，新的设计方法不断发展，新的工艺手段层出不穷，它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说，了解并实践一下传感器选择与测控电路的设计、制作的基本过程是很要的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 100Gu 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

2、号。 并通过对输出电压的测量实现对温度的测量关键字：热电偶传感器XTR101信号调理芯片RL负载电阻传感器技术课程设计目录一 、设计目的 -1二、设计任务与要求 - - 12.1设计任务 -12.2设计要求 -1三、设计步骤及原理分析- -13.1设计方法 -13.2设计步骤 -23.3设计原理分析 -7四、课程设计小结与体会- 8五、参考文献 - - 8传感器技术课程设计一、 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、设计任务与要求2.1设计任务设计测量温度范围 -100500的热电偶传

3、感器2.2设计要求(1) 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（ 2）有电路图（ PROTEL绘制），选型与有关计算，精度分析等（ 3） 采用实验室现成的热电偶进行调试三、设计步骤及原理分析3.1 设计方法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：(1)S 型热电偶

4、）铂铑10- 铂热电偶(2) （R 型热电偶）铂铑 13- 铂热电偶(3) B 型热电偶）铂铑 30- 铂铑 6 热电偶(4)(K 型热电偶）镍铬 - 镍硅热电偶(5) （N 型热电偶）镍铬硅 - 镍硅热电偶(6) （E 型热电偶）镍铬 - 铜镍热电偶(7) （J 型热电偶）铁 - 铜镍热电偶(8) （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

5、 为 -2001300 。 其 主 要 特 点 ：温 度-100500信号采集K型热电偶，采集温度信号处理XTR101放大变换铜电阻温度补偿测量标准的电信号（420mA）恒流源供电6（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0传感器技术课程设计中，也不推荐用于弱氧化气氛中。2. 电路功能(1) 温度补偿图 1 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

6、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3.2 设计步骤(1)XTR101 信号调理芯片为了得到稳定的 4mA20mA的输出电流，我们选用常用的信号放大芯片XTR

7、101。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1传感器技术课程设计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

8、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=1k， R2=52.6 ，R3=R4=1.25k， Rs 为调增益的电阻图 2XTR101 芯片内部图2传感器技术课程设计2. 要点分析【1】增益调节Rs 为增益调节电阻， 调节

9、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。3传感器技术课程设计图

10、3 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 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

11、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

12、，即在4传感器技术课程设计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=100 +(42.8 /100 （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 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 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=31.8m

13、V。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/ )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当冷 端温 度为20 时， Cut10

14、0=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=0.053mV/ *(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

15、/=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)+1mA Cu100(20 )/(Cu100(20 )+R1) V3=1mAR3在 0测量点 ( 零点 ) ： V4=V3，即:1mA108.56-61.3/(108.56+61.3)-1.06mV=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 4mA。【2】将

16、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5传感器技术课程设计3.3 设计原理分析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 4 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

17、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 5002、变送器原理框图图 5 变送器原理图6传感器技术课程设计四、课程设计小结与体会在今年的 12 月末，我们进行了传感器的课程设计，这是我第一次真正的独立设计一个东西，老师只是给出一个题目和大致的要求，其他的都是靠自己完成。必须承认，这对于我的挑战还是非常大的。就是对元器件的学习，热电偶还好，毕竟在课本上学过些皮毛，不至于从头学起。但是，变送

18、器就不同了， 全靠自学，从结构到原理， 都得弄明白才行。在这期间我发现我的自学能力太有限了， 许多很简单的东西我自己怎么也看不明白，但是，总想做出点什么的心让我坚持了下来。这次的课程设计让我学到了很多课本上没有的东西，扩展了自己的视野，增强了自己的动手能力， 清醒的认识到自己的不足， 培养了小心谨慎的作风，使自己对课题设计了解进一步加深。总之， 此次的课程设计使我收获颇丰， 也是我上大学来难忘的一次经历。五、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读书的好处1、行万里路，读万卷书。2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。3、读书破万卷，下笔如有神。4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。 达尔文5、少壮不努力，老大徒悲伤。6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。 颜真卿