热电阻测温及其保护电路 课设

1、内蒙古工业大学课程设计说明书绪 论0.1变送器的构成变送器的总体结构如图0-1所示变送器在线路结构上分为量程单元、放大单元和保护单元三部分，他们分别印制在不同的电路板上，用插件互相连接。方框图中，空心箭头表示供电电路，实线箭头表示信号回路，输入信号与桥路部分输出信号及反馈信号现叠加，送入集成运算放大器。放大了的电压信号再经功率放大器和隔离输出电路转换成统一的420mA直流电流和15V直流电压输出给保护电路。+反馈单元F输出电路限幅电路隔离输出功率放大电压放大KKKKKKKKKKKKKKK交直交变压器整流滤波输入电路图0-1 温度变送器结构方框图变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原理如图1-1

2、所示，它包括测量部分（即输入转换不放）、放大器和反馈部分。测量部分用以检测被测变量x，并将其转换成能被放大器接受的输入信号（电压、电流、位移或力矩等信号）。反馈部分则把变送器的输入信号y转换成反馈信号，再会送只输入端。与调零信号的代数和同反馈信号进行比较，其差值送入放大器进行放大，并转换成标准输出信号y。由图1-1可以求得变送器输出与输入之间的关系为 （0-1） y 0 x图0-2 变送器的输入输出特性式中 K-放大器的放大系数； F-反馈部分的反馈系数； C-测量部分的转换系数。当满足深度负反馈的条件，即KF1，上式变为 (0-2)式（0-2）也可以输入信号、同反馈信号相平衡的原理导出。在1

3、时，输入放大器的偏差信号近似为零故有，由此同样可求得如上的输入输出关系式。如果、和是电量，则把称为电平衡；如果是力或力矩，则称为力平衡或力矩平衡。显然，可利用输入信号同反馈信号相平衡的原理来分析变送器的特性。式（0-2）表明，在1的条件下，变送器输出与输入之间的关系取决于测量部分和反馈部分的特性，而与放大器的特性几乎无关。如果转换系数C和反馈系数F是常数，则变送器的输出与输入将保持良好地线性关系。变送器的输入输出特性示于图1-2，、分别为被测变量的上限制和下限值，也即变送器测量的上、下限值（图中）；和分别为输出信号的上限值和下限值。它们与统一标准信号的上下限值对应。第一章 放大单元工作原理1.

4、1 电压放大电路电压放大电路由集成运算放大器构成。因为来自量程单元的输入信号很小，且放大电路采用直接耦合方式，故对温度漂移必须加以限制。为此应对集成运算放大器的温漂系数提出一定要求。这里，温漂系数主要是指随温度而变化的数值（）。若设变送器使用环境温度范围为，失调电压温漂系数为，则在温度变化时失调电压的变化量为 （1-1）现设为由于的变化给仪表带来了附加误差，即，则由于式（1-1）可知 （1-2） 式(1-2)表示了集成运算放大器的温漂系数和仪表相对误差的关系。温漂系数越大，引起的相对误差就越大。当温度变送器的最小量程为3mV，温升为25，要求时，按式(1-2)就要求（C） 由于来自量程单元的输

5、入信号很小，且放大电路采用直接耦合的方式，故对温度漂移必须加以限制。为了满足这一要求，温度变送器中运算放大器所用的线性集成电路需采用低漂移型的高增益运算放大器。 反馈单元输出电路限幅电路隔离输出功率放大电压放大1.2 功率放大单元 功率放大电路的作用是吧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，通过隔离变压器传递信号 功率放大电路如图1-1所示，由复合管 、及电阻、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采用了复合管是为了提高输入阻抗，减小线形集成电路功耗。引入射极电阻一方

6、面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。在方波电压的前半个周期，二极管导通，截止，由输入信号产生电流；在后半个周期内，二极管导通，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To的副边产生交变电流 ，从而实现了隔离输出。图1-1功率放大器原理图采用复合管是为了提高强入阻抗，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

7、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。1.3 隔离输出 为了避免输入与输出之间有直接电的联系，在功率放大器与输出回路之间，采用隔离变压器来传递信号，实际上是交流互感器，其变流比为1：1，故输出电流等于功放电路复合管的集电极电流。 隔离输出电路如图1-2所示变压器是变比为1:1的电流互感器，所以输出电流等于功放电路复合管的集电极电流，副边电流经过桥式整流和、组成的阻容滤波得到4-20mA的直流输出电流。经250电阻变为1-5V的直流电压信号。其中稳压管以保障电压输出信号不受影响。二极管、 的作用是当输出6处出现异常电压时，二极管短路将熔丝烧断，从而对电路起保护作用。 图1-2隔离

8、输出电路图图1-2 隔离输出电路图1.4 直流-交流-直流（DC-AC-DC）变换器该变换器在DDZ-III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(4-5kHz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。1.4.1工作原理直流-交流变换器是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1-3所示。图1-3中、和为基极偏流电阻, 太大会影响启振，太小则会使基极损耗增加。和为发射

9、极电流负反馈电阻，用以稳定晶体管、的工作点，二极管是用来防止电源极性接反而损坏变换器；作为振荡电流的通路，并起保护三极管、的作用。电源接通后电压电源通过提供基极偏流从而使进入饱和状态，进入饱和状态时，器官压降非常小，此瞬时，可以认为电源电压等于集电极绕组()上的感应电动势 = (1-3) 因为感应电势的大小与磁通的变化率成正比，即 = (1-4) 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，基极电流将要下降，可从的基极回路列出以下关系式。 (1-5)由此可见，在集电极电流 (近似等于)随时间线性增加的

10、同时，基极电流将随时间线性下降，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退到放大区，集电极电流达最大值，与此同时磁通也到达最大值，而不再增加。由于 =0 ，基极绕组感应电势立即等于零，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。1.4.2 振荡频率对于理想的变换器，当晶体管集电极电流到达最大值时，罐形

11、磁芯接近饱和，即在 时间内磁通由增加到。因此，根据磁感应的公式 （1-6） = (1-6) 可求得振荡周期。（1-6）式中，为对应绕组中的感应电势，其绝对值为 =从电磁感应公式可求得 (1-7)（1-7）式中，为对应的磁感应强度，单位为特斯拉(T)；S为磁芯截面积，单位为。从上式可以看出，频率与电源电压的幅值成正比关系。第二章 热电阻温度变送器量程单元2.1 量程单元 图2.1 热电阻温度变送器量程单元电路原理图图2-1 热电阻温度变送器量程单元电路原理图为了便于分析，将量程单元和放大单元的运算放大器联系起来一起画于图2-1中。图中为热电阻， 为其引线电阻，为限压元件。两端电压随被测温度t而变

12、化，现将输入输出关系推倒如下：按叠加原理和虚断原理，运算放大器反相输入端电流之和为零。 +0 ( 2- 1) 式中 × （2 - 2） （23）为电位器滑触点c点与d点之间的等效电阻其值为= ( 2 -4)又 = (2 - 5)线路设计时使远大于，所以式（2-3）可改写成 （2-6）联立以上各式解得 -5（+）现设 m=, a=, = ， 当为理想放大器时，得到 -5m （2-7）上式即为变送器输入输出关系。2.2线性化原理及电路分析采用正反馈的力法，将热电阻两端的电压信号引至的同相输入端, 这样的输出电流将的增大而增大，即随被测温度t升高而增大，从而补偿了电阻随被测温度升高其变化量

13、逐渐减小的趋势，最终使得热电阻两端的电压信号与被测温度之间呈线性关系。热电阻线性化电路原理如图2-2所示。 图2-2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。现把看成是理想运算放大器，即偏置电流为零，由图2-2可求得 （2-8） （2-9） 由上两式(2-8)和(2-9)可求得流过热电阻的电流和热电阻两端的电压分别为 （2-10）和 其中 （2-11）如果令1，即，则由式(2-10)可以看出，当随被测温度的升高而增大时，将增大。而且从式（211）可知，的增加量也将随被测温度的升高而增大，即和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

14、得到和之间的直线函数关系：实践表明，当选取时，即取只10k，4，1时，在0 500测温范围内，铂电阻两端的电压信号与被测温度间纳非线性误差最小。 图2-2 线性化电路原理图2.3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所构成的支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 （2-12） 式（2-12）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Ir 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

15、方向相反，因而电阻r3上不产生压降。It在r1上的压降It r和Ir在r2上的压降Ir r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。第三章 热电阻温度变送器保护单元3.1输入电路和输出限幅电路 实际输入电路的连接方式是将输入信号跨接在的同相和反相输入端上，而将给定信号Us反极性跨接在这两端，如图3-1所示，这样，两根导线电阻的压降和均成为输入电路的共模电压信号，由于差动放大器对共模信号有很强的抑制能力，因此这两个附加电

16、压不会影响运算电路的精度。输入电路的作用是从输入信号中减去与运算无关的1电压，并将以0为基准的信号移至以电平为基准。输入电路原理图如图3-1所示。图3-1 输入和限幅电路原理图在图3-1中，当为理想运算放大器时，则有 （3-1） （3-2）因，且，则 （3-3）输入为15V电压则的幅值为02V的直流电压，即是输出限幅电路的输入电压。限幅电路原理如下：其中 值为0V，值为2V当稍大于上限值时，正偏导通，反偏截止，这样被限制在值之上。当稍小于时 导通，截止，所以被限制在之上。限幅电路实际上是限制上的输出电压，使其不超过上限值和不低于下限值，从而限制了控制器的输出电流。3.2输出电路 输出电路的作用

17、是把PID电路输出的以为基准的1-5V直流电压信号转换成420mA的输出电流信号，使它流过负载至电源的负端。如图3-2所示。现把看作理想放大器。 3-2 输出电路原理图并设=R,则可从式3-2中列出如下方程 =- (3-4)= 解上述三个方程可得 （35）在相同条件下由式3-3可得 （36） 把式（35）和（36）代入（34）中解得 （37）从式（35）中可知当k=,时，420mA。不考虑微小误差的情况下，= 420 mA （38）结 论本课设中全部采用标准化原件和国际单位制，能很好的与各种显示仪表相连得到想要测量的温度值。热电阻温度变送器是由热电阻温度变送器量程单元、放大单元和输出限幅保护单元组成（电路图见附录），热