溫度變送器的設(shè)計(jì)(一體化兩線(xiàn)制4～20mA輸出)

1. 二根線(xiàn)完成電源的輸入及4~20mA直流電流輸出, 即二根線(xiàn)既是電源線(xiàn)也是4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出線(xiàn)。
2. 由于二線(xiàn)制一體化變送器安裝在傳感器接線(xiàn)盒中,所以必須有良好的可靠性、穩(wěn)定性及較寬溫度工作范圍(0~85℃)和較小的溫漂，同時(shí)要求體積盡可能小。
3. 在熱電偶和熱電阻溫度變送器中采用了線(xiàn)性化電路，從而使變送器的4~20mA 輸出信號(hào)和被測(cè)溫度呈線(xiàn)性關(guān)系。
4. 在熱電偶溫度變送器中，要進(jìn)行冷端補(bǔ)償，冷補(bǔ)范圍0~100℃。

    變送器在線(xiàn)路結(jié)構(gòu)上分為量程單元和放大單元兩個(gè)部分，其中放大單元是通用的，而量程單元，則隨品種、測(cè)量范圍的不同而不同。設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

熱電阻 Pt100 為例的二線(xiàn)制變送器的設(shè)計(jì)

1、信號(hào)采集電路
    熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性測(cè)量溫度, 常用的有鉑電阻Pt100、Pt10 銅電阻Cu50、Cu100 等。 其阻值與溫度關(guān)系可通過(guò)分度號(hào)表查詢(xún)。
    圖中是以Pt100 熱電阻為例（在這里，可以采用其他的熱電阻，如Cu50、Cu100 等） ，TL431 是2.5V 穩(wěn)壓二極管，D2是一個(gè)保護(hù)二極管，防止輸入電壓反接可能帶來(lái)的對(duì)電路的影響或者破壞。R1 是限流電阻，R2、R3、R4 與R5(Pt100)配合使用，組成一個(gè)電阻測(cè)量電橋。由于一體化二線(xiàn)制熱電阻變送器安裝在接線(xiàn)盒內(nèi)，引線(xiàn)電阻忽略不計(jì)。R1、R2、R3、R4 可以確定下來(lái)（其值見(jiàn)圖2），其中熱電阻R5 隨著溫度變化而變化。R4 根據(jù)采用的熱電阻分度號(hào)不同而取不同的值。如Pt100 測(cè)量時(shí)R4 取100W，Cu50 測(cè)量時(shí)R4取50W。電橋中間兩點(diǎn)電壓作為后續(xù)差動(dòng)放大器的輸入信號(hào)。分別為：
 
因R2=R3>>R4 及R5, 故：

       圖中虛線(xiàn)表示沒(méi)有進(jìn)行線(xiàn)性化調(diào)節(jié)時(shí)輸出電壓隨源溫度變化時(shí)的曲線(xiàn)，圖中實(shí)曲線(xiàn)則表示進(jìn)行R6 非線(xiàn)性化調(diào)節(jié)的具體過(guò)程，隨著溫度升高，輸出電壓隨之提高，正反饋影響增強(qiáng)，只要R6 阻值合適可剛好抵消熱電阻本身非線(xiàn)性的影響，使得輸出電壓和溫度為線(xiàn)性關(guān)系，即圖3中直線(xiàn)所示。根據(jù)線(xiàn)性化調(diào)整原理，線(xiàn)性調(diào)整電阻R6 的反饋電壓V反為：
 
則實(shí)際輸出：
 
    由于熱電阻線(xiàn)性較好, 經(jīng)計(jì)算調(diào)校本電路中R6=8.2k，熱電阻非線(xiàn)性修正可以達(dá)到千分之二的精度。

3、調(diào)零、電源平衡及二級(jí)放大電路
    對(duì)零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)的電路，實(shí)質(zhì)上就是調(diào)節(jié)本級(jí)放大電壓輸出的大小, 保證在信號(hào)源零度（R5=100W, 第一級(jí)放大器輸出為零）時(shí)整個(gè)回路電流I1=4mA。它由R10、R16、R13、W1 組成，實(shí)質(zhì)上就是在本級(jí)電壓輸入正端疊加一個(gè)調(diào)零電壓，使不足4mA 的靜態(tài)工作電流達(dá)到4mA。此外，在該電路中，還有一個(gè)部分，那就是減小電源波動(dòng)對(duì)電路輸出的影響，即電路中的R15,它可以抑制電源波動(dòng)帶來(lái)的影響。當(dāng)外界電壓源發(fā)生較大的波動(dòng)時(shí)(或負(fù)載電阻RL 變化)，電路靜態(tài)工作電流會(huì)發(fā)生微小變化,我們可以利用R15 來(lái)穩(wěn)定輸出電流。其工作原理一方面是電源增大帶來(lái)靜態(tài)電流增加,另一方面電源的增大通過(guò)R15 加到本級(jí)放大器的負(fù)端起到減法作用, 使本級(jí)輸出電壓下降, 選擇合適的R15 阻值, 可以保證電源在允許范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)輸出電流的穩(wěn)定。R17 決定二級(jí)放大倍數(shù)。
4、調(diào)滿(mǎn)電路和V/I 轉(zhuǎn)換電路
    調(diào)滿(mǎn)電路是由R18、R20、W2組成的對(duì)上一級(jí)電壓輸出V2 分壓構(gòu)成。通過(guò)對(duì)W2 的調(diào)節(jié)，使得最后輸出（信號(hào)源最高輸入時(shí)整個(gè)電路的輸出）達(dá)到要求的輸出結(jié)果V(W2 中間抽頭電壓)。R21、R22、R23、R24、R25 及運(yùn)放組成一個(gè)V/I 轉(zhuǎn)換電路, 由于R22、R23、R24 均為200k的大電阻，R25 為100W的小電阻，整個(gè)電路電流輸出I2≈V/R25。R26是一個(gè)負(fù)載電阻。