测控技术与仪器专业

1、 齐鲁工业大学课程设计专用纸 成绩 课程名称 传感器课程设计 指导教师 孙凯 院 （系） 电气学院 专业班级 测控13-2 学生姓名 吴海旺 学号 201302051056 设计日期 2016.3.4 课程设计题目 热电偶温度变送器课程设计 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-100500&

2、#176;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齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页）    目录 一、设计目的3二、课程设计的任务要求

3、3 三、课程设计的基本原理3  1、热电偶测温原理3  2、变送器原理框图4 四、课程设计的主要内容4  1、热电偶的选择5  2、设计构架5  3、具体电路的设计7 5、 课程设计的心得与体会12 6、 参考文献13 7、 附图  热电偶测温电路14齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页） 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

4、学知识的灵活掌握和综合应用能力。 2、 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。 齐鲁工业大学课程设计专用

5、纸（附页） 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500。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&

6、#160; 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 齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页）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

7、-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-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

8、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 齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页） （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

9、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 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。（见图3） 【2】信号的放大

10、60; 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。 齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页）   图3 补偿电路 【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    

11、 (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齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页）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。&#

12、160; 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4所示，R1=1k，R2=52.6，R3=R4=1.25k，Rs为调增益

13、的电阻 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。 齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页） 图4 XTR101信号调理芯片 【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。

14、60; 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】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， 齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页）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&

15、#160;  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R

16、3，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=100+(42.8/100)t。  各参数的选择计算  【1】增益调节电阻   齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页）  因为设计要求，选择温度范围：-100500。当

17、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/)31.8mV &#

18、160;  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。

19、0;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：齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页）4mA20mA当T=-100时，要使Io=4mA，就要调节R3，既调零电阻。将热电热端置于0的温度环境中。此时环境温度仍为20，即温差-20，热电式E=-20·0.053mV/=1.06mV， 3,4 间的信号输入Ein=0mV，Cu100(20)=100+(48.8/100)

20、*20=109.6     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)-1.06 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

21、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 5、 心得体会： 在今年的3月初，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。   齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页） 首先，要使用以前基本没用过的prtel99和protel这两种软件作图，下载下来的都不能安装，只能用以前学的CAD做图了。这一环节几乎占了这次课程设计的一半时间。好在上学期