電流型熱電偶溫度變送器的設計

一、前言
    熱電偶是工業(yè)上廣泛使用的溫度傳感器，它最大的優(yōu)勢就在于溫度測量范圍極寬，理論上從-270℃的極低溫度到2800℃的超高溫度都可以測量，并且實際應用中在600℃-2000℃的溫度范圍內可以進行最精確的溫度測量。在化工、石油、電力、冶煉等行業(yè)的自動化控制系統(tǒng)中熱電偶發(fā)揮著對溫度的監(jiān)控作用。因此我們開發(fā)設計出一套具有較高精度和穩(wěn)定性的實用性K型熱電偶溫度變送器。

二、設計構架
1．設計要求
    整套系統(tǒng)要求在0～100℃范圍對應輸出4mA～20mA的電流型溫度變送器。
    在實際的工業(yè)化需求中，往往需要設計為標準信號的變送器，以便與儀表和后續(xù)接口電路兼容。在輸出為模擬信號時，有電壓型和電流型兩種變送器。電壓型變送器的輸出為0～5v，雖然其在信號處理方面具有優(yōu)勢，但抗干擾能力較差，在遠距離傳輸時信號衰減大，而電流型變送器卻在這方面獨具優(yōu)勢。因此在工業(yè)實踐中得以廣泛應用。
    通常，電流型變送器有輸出0～20mA和4～20mA兩種。對于輸出0～20mA的變送器，雖然電路調試及數(shù)據(jù)處理都比較簡單。但對于輸出4～20mA的變送器，能夠在傳感器線路不通時，通過是否能檢測到正常范圍內的電流，判斷電路是否出現(xiàn)故障，因此使用更為普遍。

2．電路功能
    (1)信號的放大
    熱電偶測溫的原理是基于熱電轉換效應。雖然它集放熱、轉換為一體，能直接實現(xiàn)溫度到電壓的輸出，但輸出幅度很微小。如K型熱電偶的靈敏度為0.04mv/℃。因此，對其信號必須進行放大。
    (2)溫度補償
    當熱電偶測溫時，其冷端溫度受環(huán)境變換影響較大，從而會影響最后測量的電信號。為了能得到穩(wěn)定的電信號，以便算出真實的待測溫度，需要對熱電偶的冷端進行溫度補償。

3．原理框圖
 

4．主要器件
    熱電偶作為感溫元件，采集溫度信號；鉑電阻作為補償電阻，補償熱電偶的冷端溫度；XTR101為小信號處理專用芯片，將輸入的微弱信號放大后便于遠端傳輸；RL為遠端的負載電阻，便于電信號的測量。

三、具體電路的設計
1．XTR101信號調理芯片
    為了得到穩(wěn)定的4mA～20mA的輸出電流，我們選用常用的信號放大芯片XTR101。
  XTR101是一個精密、低漂移的雙線變送器，它可以把微弱的電壓信號進行放大并變換成4mA～20mA的電流信號后進行遠距離傳送。它由一個高精度的儀表放大器、壓控輸出電流源和2個精密的1mA電流源組成。
    其輸入管腳為：3、4；輸出管腳為：7、8；且；輸出范圍4mA～20mA；增益調節(jié)端為Rs端；電源端Vcc=24V。
    XTR101芯片電路圖如圖2所示，R1=1kΩ，R2=52.6Ω，R3=R4=1.25kΩ，Rs為調增益的電阻。
 
圖2 XTR101芯片電路圖
    圖中：I1=(V4-V3)/Rs=ein/Rs；I2=(V1-V3)/R3；I3=(V1-V4)/R4．
    且I4=I1+I2；I3=I1+0.1mA；I4=Ie。
    可導出：Ie=2ein/Rs+ein/1250+0.1mA    (1-1)
    又因為R1兩端電壓和R2兩端電壓相等，即Ie

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