温度检测及其报警装置设计

1、 引 言21世纪已经到来，人们将进入以知识经济为特征的信息时代。微电子技术、计算机技术、通信网络技术和自动化技术将继续高速发展，作为工业自动化技术工具的自动化仪表与装置也将跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。有的专家认为：在计算机与自动化领域内，80年代的热点是个人计算机，90年代是计算机网络，而21世纪第一个10年的热点很可能是传感、执行与检测。这种预测是有一定根据的。近几年，微电子、微机械、新材料和新工艺的发展与计算机、通信技术的广泛应用，将可能创造出新一代的检测系统。检测装置是生产过程自动化和经营管理现代化的基础，特别受到人们的重视。随着工业自动化技术进展，它们起着越来越为重要的作用

2、，因为只有性能好、精度高、质量可靠的仪表检测到各种有关的信息，才能实现高水平的自动化。在工业过程检测方面，常规的温度、压力、流量与物位4大热工变量的检测已经有较成熟的技术基础和产品。新一代的检测装置主要特点是数字化和智能化，它们是以微计算机为核心，可以自动调零、线性化、补偿环境因素变化，并配置图形显示仪表，直观地表达测量结果。在检测技术方面，超声、微波、激光等新技术正被大量采用，用以解决不同工业领域遇到的特殊测量问题和提高性能的要求。因此，检测装置的当务之急，一方面要积极改进既有的测量方法，进一步完善创新和实现微机化与智能化；另一方面是采用新的测量原理，开发新的检测装置，扩大自动检测的新领域。

3、本设计就是一个温度检测及其报警的装置。第一章总体介绍了温度检测及其报警装置，包括其设计的方案和意义；第二章介绍了热电阻的测温原理；第三章介绍了热电偶的测温原理；第四章详细分析了温度检测装置；第五章介绍了报警装置。由于本设计的温度检测装置采用热电阻式，对热电阻的相关部分作了详细介绍，而对热电偶部分仅作简单介绍。温度检测及其报警装置的设计要求及方案 课题的来源和意义在现代工业生产过程和科学技术领域中，检测装置广泛的应用于石油、化工、冶金和电站等国民经济各个重要部门和领域。一般的说，自动控制系统都毫无例外地是负反馈控制系统。在这一系统中，至少包括四个基本组成部分，即被控制对象，检测装置(主要指变送器

4、)和调节器以及执行机构。其检测装置是自动控制系统的重要组成部分，任何一个针对物理过程的负反馈控制系统，检测装置都是不可或缺的。而且，不管控制器采取何种形态(模拟的,抑或是数字的，常规和简单的，还是各种发展型和先进算法的)，都不意味着对检测装置功能的任何取代。一个简单的事实是，如果系统中的控制器是理想的和无静差的，则系统的静态误差仍是唯一地取决于检测装置的精度等级。实际上，检测装置的性能指标是构成负反馈控制系统品质的基本要素。因此，了解自动控制系统中的各种检测装置的基本原理和掌握检测装置的工作特性是非常重要的任务。为保证自动化系统的正常运行，必须有一些检测装置来协助运行人员将各种工艺变量转换成相

5、应的统一标准信号来检测系统运行情况。温度是工业生产中最常见和最基本的工艺参数之一，因此温度的测量与控制便成为生产过程自动化的重要任务，同时装有报警灯或报警电铃等报警装置来保障自动化系统的安全运行。 设计的任务和要求本设计是将现场检测到的温度变化以电信号形式表现出来，若信号越限，则发出报警，从而实现对现场温度的检测和控制。由于本设计要求信号制是420mA直流电流或15V直流电压的统一标准信号，因此不能仅靠温度传感器来检测现场的温度，而应选用温度变送器来达到设计的要求。本设计就是由温度变送器为核心，与集成运放及电源电路组成的测量系统及其报警系统。温度变送器是自动化仪表中的重要单元设备，在工业领域中

6、有广泛的应用。这一单元可以与热电阻或热电偶相配接，而输出信号则是标准化的信号。标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如直流电流420mA，空气压力20100Pa都是当前通用的标准信号。我国还有不少变送器以直流电流010mA为输出信号的。无论被测量是哪一种物理或化学参数,也不论测量范围如何,经过变送器之后的信息都必须包含在标准信号之中。有了统一的信号形式和数值范围，就便于把各种变送器和其他仪表组成检测系统。无论什么仪表或装置，只要有同样标准的输入电路或接口，就可以从各种变送器获得被测变量的信息。这样，兼容性和互换性大为提高，仪表的配套也极为方便。 设计思路及总体方案本设计主要完

7、成一个温度检测及其报警装置的设计，应将该设计总体上按照先检测后报警的思路分成两部分完成。第一部分是温度检测装置的设计，与各种热电阻或热电偶配合使用，将温度信号转换成统一标准信号，作为报警装置的输入信号，以实现对温度变量的检测；第二部分是报警装置的设计，当检测到的温度信号超出给定范围时，报警装置发出报警信号。根据方案，主要的工作如下：首先，由于温度检测装置与热电阻或热电偶相配接，先对热电阻和热电偶的测温原理作简单介绍；其次，设计出结构框图，根据结构图完成整个电路的设计，并分析各部分电路组成及作用；最后，完成报警单元电路的设计。第二章 热电阻及其测温原理利用感温材料，把测量温度转化为测量电阻的测温

8、系统，主要有金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。实践证明，大多数导体当温度升高1时，其阻值要增加0.40.6，而半导体的阻值要减小36，其灵敏度比金属高的多。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化，因此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。它们的阻值随温度的升高，有的增加，有的减小。常用于测量-200+500范围内的温度，同时在5001200温度范围中也有足够好的特性。其特点是准确度高，灵敏度高，电阻温度计输出的是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。 热电阻 热电阻的特性大多数金属导体的电阻具有随温度变化的特性，其特性方程如下：式中Rt表示任意

9、绝对温度t时金属的电阻值；Ro表示基准状态to时的电阻值；是热电阻的温度系数1/。对于绝大多数金属导体，并不是一个常数，而是有关温度的函数，但在一定的温度范围内，可以近似看成一个常数。不同的金属导体，保持常数所对应的温度范围也不同。一般选作感温电阻的材料必须满足如下要求：电阻温度系数要高，这样在同样条件下可加快热响应速度，提高灵敏度。材料的纯度越高，值就越大；杂质越多，值就越小，且不稳定。通常纯金属的温度系数比合金大，一般均采用纯金属材料。当热电阻丝中有内应力时，会引起值的改变。因此电阻丝在制成热电阻体时必须进行退火和老化处理，以消除内应力的影响。在测温范围内，化学、物理性能稳定，以保证热电阻

10、的测温准确性。具有良好的输出特性，即在测温范围内电阻与温度之间必须有线性或接近线性的关系。具有比较高的电阻率，以减小热电阻的体积和重量。具有良好的可加工性，且价格便宜。比较适合的材料有铂、铜、镍和铁等。它们的阻值随温度的升高而增大，具有正温度系数。 标准化热电阻铂电阻铂电阻的特点是稳定性好、准确度高、性能可靠，这是因为铂电阻在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定，所以1990国际温标规定在温域内以铂电阻温度计作为标准仪器。铂电阻被广泛用于工业上和实验中。铂电阻在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，铂丝将变脆，并改变了电阻与温度间的关系。因此，必须用保护套管把电阻

11、体与有害的气氛隔离开来。铂的纯度常以R100/R0来表示。对于工业用铂电阻，规定其R100/R0为。我国规定铂电阻的分度号为Pt10和Pt100，后者用的较多。前者的铂丝较脆，能可靠的用于600以上测温。铂电阻的温度特性可用下列二式表示：在-2000之间在0850之间以上两式中Rt t的电阻值；Ro0的电阻值；A，B，C常数，对于工业用铂电阻，A=3.9080210-3-1， B=-5.80210-7-2，C=-4.2735010-12-3由于铂为贵金属，因此一般用于高精度工业测量。铂电阻主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度的测量，长时间稳定的重现性使它成为目前测温重现性最好的温度计。在一般

12、测量精度和测量范围较小时采用铜电阻。铜电阻铜电阻的电阻值与温度的关系几乎是线性的，它的电阻温度系数也比较大，而且材料容易提纯，价格比较便宜，所以在一些测量准确度要求不是很高、而且温度较低的场合，可使用铜电阻，它的测量范围是-50+150。铜电阻的缺点是：在250以上容易氧化，因此只能用在低温及没有腐蚀性的介质中；铜的电阻率比较小，所以做成一定阻值的热电阻时体积就不可能很小。所以说铜电阻在工业生产中易于得到高纯度材料，且价格低廉，但容易被氧化，一般只用于150以下，无水分和无侵蚀性的低温环境中。我国规定工业用铜电阻的R100/R0。铜电阻的分度号是Cu50和Cu100，表示其Ro分别为50及10

13、0。铜电阻在其测量范围内的温度特性可用下式表示：式中Rt t的电阻值；Ro0的电阻值；A，B，C常数，对于工业用铜电阻，A=10-3-1， B=-10-7-2，C=-10-9-3由于铜电阻的特性在0100之间基本上是线性的，所以在0100之间的温度特性可以用下式表示：式中 0100之间的温度系数，等于4.2810-3-1。镍电阻镍电阻的温度系数较大，因此其灵敏度要比铜和铂高。当温度超过200时，具有特异点，因此规定镍电阻的使用温度范围为-60+180。镍电阻的电阻比R100/R0=1.617。由于镍电阻的制造工艺较复杂，很难获得相同的镍丝，因此它的测量准确度比铂电阻低，制定标准很困难，我国虽已

14、规定它为标准化热电阻，但尚未制定出相应的标准分度表。它的分度号有Ni100，Ni300，Ni500。对Ni100而言，它的温度特性为式中 A，B，C常数，对于R100/R0，A=-1，B=0.66510-3-2，C=2.80510-9-4其他热电阻铁电阻的温度系数也比铂和铜的高，电阻率也较大，故可做成体积小，灵敏度高的电阻温度计。其缺点是易氧化，不易提纯，且电阻值与温度的关系是非线性的，仅用于测量-50+100范围内的温度，目前应用渐少。由于铂、铜热电阻不适宜做超低温测量，今年来一些新颖的热电阻相继被采用。铟电阻适宜在-269-258范围内使用，测量精度高，灵敏度很高，是铂电阻的10倍，但重现

15、性差；锰电阻适宜在-271-210范围内使用，灵敏度高，但脆性高，易损坏；碳电阻适宜在-273范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。 热电阻的结构热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝双线绕在云母、石英、陶瓷和塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。精通型热电阻 从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的。因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。 铠装热电阻 铠装热电阻是由感温元件电阻体、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为28mm。与普通

16、型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性小，测量滞后小；机械性能好，耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装；使用寿命长。 端面热电阻 端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材料绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。 隔爆型热电阻 隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于B1aB3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。 热电阻的测量电路热电阻温度计的测量电路采用精度较高的电桥电路。为消除连接导线电阻

17、随温度变化而造成的测量误差，常采用四线连接法。原理电路如图2-1所示。其中G为检流计，R1、R2、R3为固定电阻，Ra为调零电阻，r1、r2、r3、r4均为导线补偿电阻。要求r1和r2的长度和电阻温度系数相等，这样电阻的变化不影响电桥的状态。电桥在零位调整时，就使用R4=Ra+Rto，Rto为热电阻在参考温度to时的电阻值。调零的Ra电位器的接触点和检流计串联，这样接触点的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作。图2-1 热电阻测温电桥的四线连接法热电阻式温度计性能稳定，测量范围宽，精度也高，特别是在低温测量中得到广泛的应用。其缺点是需要辅助电源，热容量大，限制了其在动态测量中的应用。为避免热电阻

18、中流过电流的加热效应，在设计电桥时，尽量使流过热电阻的电流降低，不会使电阻的温度升高，影响测量精度，一般应小于10mA。 热敏电阻 热敏电阻的温度特性图2-2 三种热敏电阻的电阻-温度特性热敏电阻的温度特性曲线如图2-2所示。用半导体热敏电阻作为感温元件来测量温度日趋广泛。半导体热敏电阻通常是用铁、镍、锰、钼、钛、镁、铜等一些金属的氧化物、氯化物、碳酸盐、硝酸盐做原料制成的。制造热敏电阻的材料不同，温度特性也不同。当采用MnO2、MnNO34、CuO、CuNO32等化合物制造半导体热敏电阻时，得到的是有负电阻温度系数的特性，称为负温度系数NTCNegative Temperature Coef

19、ficient热敏电阻；当采用NiO2、ZrO2等化合物制造时，得到的是有正温度系数的特性，称为正温度系数PTCPositive Temperature Coefficient热敏电阻；另外还有些热敏电阻，当温度超过某一数值后，电阻会急剧增加或减少，称为临界温度系数CTRCritical Temperature Resistor热敏电阻。它们的共同特点是灵敏度高，重复性好，工艺简单，便于工业化生产，因而成本较低，应用很广泛。 热敏电阻的结构及应用 热敏电阻的结构形式有珠形、圆片形和棒形三种，工业测量主要采用珠形。将珠形热敏电阻烧结在两根铂丝上，外面再涂敷玻璃层，并用杜姜丝与铂丝相接引出，外面再

20、用玻璃套管作保护套管，保护套管外径在35mm之间。若把热敏电阻配上不平衡电桥和指示仪表，则成为半导体点温度计。 半导体热敏电阻常用来测量-100+300之间的温度，与金属热电阻比较，其优点是： 电阻温度系数大，约为-(36)，灵敏度高； 电阻率很大，因此可以做成体积很小而电阻很大的电阻体，由于电阻数值很大，连接导线电阻变化的影响可以忽略；结构简单，体积小，可以用来测量点的温度；热惯性很小，响应快。热敏电阻的不足之处主要是：同一型号的热敏电阻的电阻温度特性分散性很大，互换性差；此外，电阻和温度的关系不稳定，随时间而变化。这两个问题目前虽已有改善，但热敏电阻还是很少在过程检测仪表中使用。随着半导体

21、技术的发展，制造工艺水平的提高，半导体热敏电阻有其广阔的发展前途。第三章 热电偶及其测温原理热电偶是利用两种不同的金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的。它被广泛用来测量1001600范围内的温度，具有结构简单，使用方便，精度高，热惯性小的特点，可测量局部温度，便于远距离传送，集中检测和自动记录，因此，它在工业生产和科学研究领域中被广泛用于测量温度。 热电偶的测温原理热电效应是热电偶测温的基本原理。根据热电效应，任何两种不同的导体或半导体组成的闭环回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为t及to的热源中，则在该回路内就会产生热电动势。这两种不同导体或半导体的组合称

22、为热电偶。每根单独的导体或半导体称为热电极。两个接点中，t端称工作端假定该端置于被测的热源中，又称测量端或热电端；to端称作自由端，又称参考端或冷端。由热电效应可知，闭合回路中所产生的电动势由两部分组成，即接触电势和温差电势。温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以他们产生的电势也不相同。而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时，因为他们的电子密度不同所以产生一定的电子扩散，当他们达到一定的平衡后所形成的电势，接触电势的大小取决于两种不同导体的材料性质以及他们接触点的温度。总电动势由下式给出实验表明，温差电势比接触电势小很多这就是热电偶的基本公

23、式。3.2 热电偶的基本定律在使用热电偶测量温度时，需要应用关于热电偶的三条基本定律，他们分别如下所述。3.2.1 均质导体定律由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体或半导体的截面积如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。由此定律可以得到如下结论：热电偶必须由两种不同性质的材料构成；由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。 3.2.2 中间导体定律由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料的接触点温度都相同，则回路中的热电势总和为零。由此定律可得到如下的结论：在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要它的两端温度相同，

24、对回路的热电势就没有影响。如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电势为已知，则这两种导体组成热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和。参考导体也称标准电极。因为铂的物理、化学性能稳定，熔点高，易提纯，复制性好，所以标准电极常用纯铂丝制作。 连接温度或中间温度定律接点温度为t1 和t3 的热电偶，它的热电势等于接点温度分别为t1、t2和t2 、t3的两支同性质的热电偶的热电势的代数和。由此定律可得到如下结论： 已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。这就为制订热电偶的热电势温度关系分度表奠定了理论基础。 和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可

25、以引入热电偶的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势，这就为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。3.3 热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准化热电偶是指制造工艺比较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定，并已列入工业标准化文件中的那些热电偶。由于标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说标准化热电偶具有统一的分度表。对于同一型号的标准化热电偶具有互换性，使用起来十分方便。标准化热电偶有铂铑10-铂热电偶分度号S、铂铑13-铂热电偶分度号R、铂铑30-铂铑6热电偶分度号B、镍铬-镍硅镍铬镍

26、铝热电偶分度号K、镍铬康铜热电偶分度号E、铁-康铜热电偶分度号J、铜-康铜热电偶分度号T。非标准化热电偶无论在使用范围或数量上均不及标准化热电偶。但在某些特殊场合，譬如在高温、低温、超低温、高真空和有核辐射等被测对象中，这些热电偶具有某些特别良好的性能。主要有钨铼系热电偶、铱铑系热电偶、非金属热电偶等。 热电偶的冷端温度补偿从热电偶的测温原理中知道，热电偶热电势的大小不但与热端温度有关，而且与冷端温度有关，只有在冷端温度恒定的情况下，热电势才能正确反映热端温度高低。在实际应用中，热电偶的冷端放置在距离热端很近的大气中，受高温设备和环境温度波动的影响较大，因此冷端温度不可能是恒定值，为消除冷端温

27、度变化对测量的影响，可采用下述几种冷端温度补偿方法。恒温法将热电偶的冷端置于恒温器中。若恒温器温度调到0，电压表读数对应的温度为实际温度，即冷端温度误差得到解决。若恒温器温度恒定，冷端误差为常数，只要在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的起始值就能实现完全补偿。冷端自动补偿法冷端自动补偿法是在热电偶和测量仪表间接入一个电桥补偿器，如图3-1所示。其中，R1，R2，R3固定，Rt随温度变化。当热电偶冷端温度升高时，回路中总电势降低，同时补偿器中Rt变化使a、b间产生一个电位差。设计时让其值正好补偿热电偶降低的量，达到自动补偿的目的，仪表读数即为被测温度。图3-1 冷端自动补偿原理图第四章

28、温度检测装置的设计温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一个在科学实验和生产活动中需要控制的重要物理量。因此在各种检测装置中，温度检测装置是应用最广泛的一种。温度检测装置是一种将温度变化转化为电学量变化的装置，用于检测温度。其中将温度变化转化为电阻变化的元件主要有热电阻、热敏电阻，将温度变化转化为电势的主要有热电偶。4.1 总体设计温度检测装置具有如下特点：在热电阻和热电偶温度检测装置中采用了线性化电路，从而使检测装置的输出信号和被测温度呈线性关系，便于指示和记录。检测装置的输入、输出之间具有隔离变压器，并采取了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干扰性能，且能测量来自危险场所的温度信

29、号。温度检测装置的总体结构如图4-1所示，温度检测装置在线路结构上分为量程单元和放大单元两个部分，它们分别设置在两块印制电路板上，用接插件互相连接。其中放大单元是通用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。 图4-1 温度检测装置结构方框图方框图中，空心箭头表示供电回路，实线箭头表示信号回路。由测温元件送来的反映温度大小的输入信号Rt与桥路部分的输出信号UZ及反馈信号UF相叠加，送入集成运算放大器。放大了的电压信号再由功率放大器和隔离输出电路转换成统一的420mA直流电流IO 或15V直流电压UO输出。检测装置的主要性能指标：基本误差为；环境温度每变化25附加误差不超过；负载电阻在0100

30、范围内变化，附加误差不超过。热电阻温度检测装置的总体电路设计如图4-2所示。4.2 放大单元温度检测装置的放大单元由集成运算放大器、功率放大器、直流-交流-直流变换器、隔离输出等部分组成。放大单元的作用是将量程单元输出的毫伏信号进行电压和功率放大，输出统一的直流电流信号Io或直流电压信号Uo。同时，输出电流又经反馈部分转换成反馈电压信号Uf，送至量程单元。4 电压放大电路电压放大电路由IC1构成。由于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失调电压UOS随温度而变化的数值。若设检测装置的

31、使用环境温度范围为t，失调电压漂移系数为，则在温度变化t时失调电压的变化量Uos 为： 现设为由于Uos的变化给仪表带来的附加误差，即,则由上式可知：上式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。漂移系数越大，引起的相对误差就越大。当温度检测装置的最小量程Ui为3mV，温升t为30，要求0.3%时，按上式就要求：为了满足这一要求，温度检测装置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。4 功率放大电路功率放大电路的作用是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。同时，通过隔离变压器实现隔离输出。图4-3 功率放大器原理图功率放大器线路如图4-3

32、所示，由复合管VT1、VT2及其射极电阻R3、R4和隔离变压器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，还具有调制作用，以便通过隔离变压器传递信号。在方波电压的前半个周期其极性如图4-3所示，二极管VD20导通，VD19截止，由输入信号产生电流ic1；在后半个周期内，二极管VD19导通，VD20截止，从而产生电流ic2。由于ic1和ic2轮流通过隔离变压器To的两个绕组，于是在铁心中产生交变磁通，这个交变磁通使To的副边产生交变电流iL，从而实现了隔离输出。采用复合管是为了提高输入阻抗、减小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

33、器的工作状态，另一方面是为了从R4两端取出反馈电压Uf。由于R4阻值为50，故当流过R4的电流为420mA其值与输出电流Io相等时，反馈电压信号Uf为1V，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到运算放大器的输入端，以实现整机负反馈。4 隔离输出为了避免输出与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。隔离变压器To实际上是电流互感器，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4-4所示。To副边电流iL经过桥式整流和由R14、C6组成的阻容滤波器滤波，得到420mA的直流输出电流Io，Io在阻值为250

34、的电阻R15上的压降Uo15V作为检测装置输出电压信号。稳压管VZo的作用在于当电流输出回路断线时，输出电流Io可通过VZo而流向R15，从而保证电压输出信号不受影响。二极管VD17、VD18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。图4-4 隔离输出电路图4 直流-交流-直流（DC/AC/DC）变换器DC/AC/DC变换器用来对仪表进行隔离式供电。该变换器在DDZ-型仪表中是一种通用部件，除了温度检测装置外，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，在温度检测装置

35、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DC/AC是DC/AC/DC变换器的核心部分。DC/AC变换器实质上是一个磁耦合对称推挽式多谐振荡器。直流-交流变换器的线路如图4-5所示。图中R13、R9和R10为基极偏流电阻，R13太大会影响起振，太小则会使基极损耗增加；R11和R12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VD19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。图4-5 直流交流变换器电源接通以后，电源电压E通过R13为两个晶体管VT3和

36、VT4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VT3的集电极电流ic3增加得快，则磁通向正方向增加。根据电磁感应原理，在两个基极绕组W48和W104b上分别产生感应电势eb3和eb4，其方向如图4-5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，eb4将使晶体管VT4截止，而eb3则使VT3的基极回路产生ib3，这使ic3增加，ic3的增加又使ib3更大。这样，瞬间的正反馈作用使ib3立刻达到最大值，从而使VT3立即进入饱和状态。VT3处于饱和状态时，其管压降Uce3极小，在此瞬时，可认为电源电压E等于集电极绕组W61

37、1c上的感应电势ec3，于是可从下式得知基极绕组的感应电势大小：因为感应电势的大小与磁通的变化率成正比，即：而|e|E近似为一常数。所以，铁心中的磁通将随时间线性增加，在铁心磁化曲线的线性范围内，激磁电流亦随时间线性增加。这时，由于VT3发射极电位的不断增加，基极电流将要下降，可从VT3的基极回路列出以下关系式：由此可见，在集电极电流ic3近似等于ie3随着时间线性增加的同时，基极电流ib3将随着时间线性下降，直至两者符合晶体管电流放大基本规律为止。这时VT3的工作状态由饱和区退到放大区，集电极电流达最大值icM，与此同时磁通也到达最大值M，而不再增加。由于，基极绕组感应电势eb3立即等于零，

38、ic3也立即由icM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eb3作用下，VT3立即截止，而反向的eb4使VT4立即饱和导通，这是另一方向的正反馈过程。随后ic4开始向负方向增加，磁通继续下降，基极电流ib4的绝对值逐渐减小，直至使VT4自饱和区退到放大区。此时集电极电流达负向最大，磁通为-M。按照同样的道理，使VT4截止，VT3又重新导通，如此周而复始，形成自激振荡。 由于两个集电极绕组W611和W119匝数相等，副边两个绕组W2012和W1219匝数也相等，因而根据电磁感应原理，副边两个绕组的感应电势大小相等，相位相反以12点为参考点，于是在纯阻性负载情况下，铁淦氧罐形磁芯

39、的副边就输出交流方波电压。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，罐形磁芯接近饱和，即在T/2时间内磁通由-M增加到M。因此，根据磁感应公式可求得振荡周期。式中ec为绕组Wc中的感应电势，其绝对值为：从电磁感应公式可求得：式中，Bm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。 热电阻温度检测装置量程单元热电阻温度检测装置量程单元由输入回路和反馈回路组成。为了便于分析它的工作原理，将量程单元和放大单元中的运算放大器IC1联系起来，如图4-6所示。图4-6 热电阻温度检测装置量程单元电路原理图电路中引入了电平移动，将

40、以零伏为基准的信号转换成以电平UB为基准的信号。电平移动的目的是使运算放大器工作在允许的共模输入电压范围之内。若不进行电平移动，即UB=0，在信号下限时，IC1同相端和反相端的电压UT、UF将小于1V，而在24V单电源供电时的运算放大器共模输入电压的下限值一般在2V左右，因此在小信号时，运算放大器将无法正常工作。现把整个电路以0V为基准的信号接到UB上，这样就提高了整个电路的电平。电阻R25、R26、R27及零点调整电位器RP1等组成零点调整和零点迁移电路。C101用以滤除输入信号中的交流分量。桥路基准电压UZ由集成稳压器提供，其输出电压为5V。Rt为热电阻，r1、r2、r3为其引线电阻，VZ

41、101VZ104为限压元件，它使流入危险场所的电能量限制在安全电平以下。Rt两端的电压随被测温度而变，此电压送至运算放大器IC1的输入端。热电阻温度检测装置，还具有线性化电路，这一电路置于输入回路之中。此外，检测装置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。 输入输出关系反馈回路由电阻R34、R35、R36、R37及量程电位器Rp2等组成，电位器滑触点直接与运算放大器IC1反相输入端相连。反馈电压Uf引自放大单元功率放大电路射极电阻R4的两端。因R4的阻值很小，故在计算IC1反相输入端电压UF时，其影响可忽略不计。将IC1看成理想运算放大器，对于IC1的反相输入端，由图4-6可

42、得 4-1且 4-2 4-3 4-4式中，Rcd为电位器Rp1滑触点c与d之间的等效电阻，其值为在电路设计时使R25Rp1/R26+R27 R30+R31=R29且由图4-3和图4-4可知 4-5所以将式4-2、4-3、4-4、4-5代入到式4-1可得进一步化简 4-6现设，所以有上式即为温度检测装置输入与输出之间的关系式。这个关系式可以说明这一项表示了电路的调零信号，改变值可实现正向或负向迁移。变换电阻R27可大幅度的改变零点迁移量。而改变R26和调整电位器Rp1，可在小范围内改变调零信号，从而可以获得满量程的0.5%的零点调整范围。为输出和输入之间的比例系数，输出信号的范围（15V）固定不

43、变，因而比例系数越大就表示输入信号也即量程范围越小。改变R35可大幅度改变量程范围。而调整Rp2，也可小范围的改变比例系数，它可获得满量程的0.5%的量程调整范围。调整Rp2，改变比例系数，不仅调整了温度检测装置的输入量程范围，而且使调零信号也发生了变化，即调整量程会影响零位。另一方面，调整Rp1不仅调整了零位，而且满度输出也会相应改变。因此在调校时，零位和满度必须反复调整，才能满足精度要求。4.3.2 线性化原理及电路分析热电阻和被测温度之间存在着非线性关系，例如铂热电阻，特性曲线的形状是呈上凸形的，即热电阻阻值的增加量随温度升高而逐渐减小。由铂电阻特性可知，在0500的测量范围内，非线性误

44、差最大约为2，这对于要求比较精确的场合是不允许的，因此必须采取线性化的措施。热电阻温度检测装置的线性化电路应采用正反馈的方法，将热电阻两端的电压信号Ut引至IC2的同相输入端，这样IC2的输出电流It将随Ut的增大而增大，即It随被测温度t升高而增大，从而补偿了热电阻随被测温度升高其变化量逐渐减小的趋势，最终使得热电阻两端的电压信号Ut与被测温度t之间呈线性关系。4-7 线性化电路原理图热电阻线性化电路原理如图4-7所示。图4-7中UZ为基准电压。IC2的输出电流It流经Rt所产生的电压Ut，通过电阻R18加到IC2的同相输入端，构成一个正反馈电路。由图4-7可知：则有现把IC2看成是理想运算

45、放大器，即偏置电流为零则可求得流过热电阻的电流It和热电阻两端的电压Ut分别为： 4-7 4-8式中如果，即，则由式4-7可以看出，当Rt随被测温度的升高而增大时，It将增大。而且由式4-8可知，Ut的增加量也将随被测温度的升高而增大，即Ut和Rt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Ut和t之间呈直线函数关系。实践表明，当选取时，即取，时，在0500测温范围内，铂电阻Rt两端的电压信号Ut与被测温度t之间的非线性误差最小。4.3.3 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见图4-6。三根引线的阻值要求为。由电阻R23、R24、r2所构成的支路为引线

46、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号为：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Ir通过电阻r2和r3。调整R24，使得，则流过r3的两电流大小相等而方向相反见图4-6，因而电阻r3上不产生压降。It在r1上的压降Itr和Ir在r2上的压降Irr分别通过电阻R30、R31和R29引至IC1的反相端，由于这两个压降大小相等而极性相反，并且设计时取，因此引线r1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，上述结论是在电流的条件下得到的。由于流过热电阻R

47、t的电流不是一个常数，因此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。一般取检测装置量程上限一点进行全补偿，就是说使补偿电路的Ir等于检测装置量程上限时的It。4.4 热电偶温度检测装置量程单元将量程单元和放大单元中的运算放大器IC1联系起来画于图4-8。图4-8 热电偶温度检测装置量程单元电路原理图输入信号Et为热电偶所产生的热电势。热电偶温度检测装置的特点是：在热电偶温度检测装置的回路中增加了由铜电阻Rcu1、Rcu2等元件组成的热电偶冷端温度补偿电路。在反馈回路中增加了由运算放大器IC2等构成的线性化电路。4.5 安全火花型防爆措施在温度检测装置的线路中采取了下列措

48、施：输入、输出及电源回路之间通过变压器T0和T1而相互隔离，在变压器中设有“防止短接板”。这样，在装置的输出端或电源部分可能存在的高电位就不可能传到输入端，即不能传到现场去。 所谓“防止短接板”，就是在变压器的原、副边绕组之间绕上一层厚度的开口铜片，这个铜片与大地相连接。在高电位由原边绕组向副边绕组传递的途中将碰到防止短接板而进入大地。在输入端装有限压元件稳压管、限流元件电阻，以防止高电能传递到现场。在输出端及电源端装有大功率二极管及熔断丝。当高的交流电压或高的正向电压对大功率二极管而言加到输入端或电源两端时，将在二极管回路产生一个大电流，从而把熔断丝烧毁，断开电源，保护了回路中的其他元件。由

49、于二极管功率较大，因而在熔断丝烧毁过程中不致被损坏。第五章 报警装置的设计报警装置接收温度检测装置输出的信号，该信号值的范围是15V直流电压。报警装置在该信号超出给定范围时，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、报警电铃等电路，也可以间接的驱动执行机构，采取必要的紧急措施。5.1 报警电路报警电路组成如图5-1所示。该电路由输入电路和偏差报警单元电路组成。图5-1 报警装置原理图5 输入电路图5-2 输入电路输入电路如图5-2所示，其作用是实现，并将以零伏为基准的信号移至以电平UB为基准。因为U0的取值范围是15V直流电压，的取值范围是-22V直流电压，所以取值，即当时

50、，电路就发出报警信号。对于IC5：现把IC5看成是理想运算放大器，即偏置电流为零有输入电路中则可得到5 偏差报警单元偏差报警单元的原理图如图5-3所示。图5-3偏差报警单元原理图当报警给定信号时，电路就发出报警信号。现报警给定信号。由图可知，此电路产生偏差报警信号的条件是或 只要两个条件中的一个满足，VT1导通，VT2亦导通，使继电器K励磁，发出报警信号。假设R1R3+R4，各电源内阻为0。对于报警条件，分以下两种情况来讨论。先分析运算放大器IC3部分。图5-4 偏差报警单元原理简图（仅含有运算放大器IC3）对于IC3，电路简化为如图5-4 由于R1R3+R4，可忽略UC所以代入到报警条件可得接下来分析运算放大器IC4。对于IC4，由图5-3 由于R1R4，可忽略Ub所以代入到报警的另一个条件可得综合以上两种情况，在时，电路为报警状态。 在本设计中，UPS=2V,即时，电路报警。5.2 解除报警报警后，VT1和VT2均处在导通状态，解除报警的条件分以下两种情况来讨论。在报警后，由于此时要解除报警必须满足于是解除报警