热电阻温度变送器及保护电路设计

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。
(
)上的感应电势 ，于是可从下式得知基极绕组的感应电势的大小。
=
(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。
1.1 放大单元工作原理
1.1.1电压放大电路
电压放大电路由集成运算放大器构成。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
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
增加到 。因此，根据磁感应的公式 （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
（1-6）
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。
1.2 热电阻温度变送器量程单元
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。 电源接通以后，电源电压量
通过 为两个晶体管 和 提供基极偏流，从
图1-4 直流-交流变换器
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 的集电极电流 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
目录
引言 1
第一章 热电阻温度变送器 2
1.1放大单元工作原理 3
1.1.1电压放大电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
....... 3
1.1.2功率放大电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
....... 3
1.1.3隔离输出. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . ..4
1.1.4直流-交流-直流（DC/AC/DC）变送器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图1-1 温度变送器结构方框图
温度变送器特点：1、采用环氧树脂密封结构，因此抗震、耐温， 适合在恶劣现场环境中安装使用。2、现场安装于热电阻、热电偶的接 线盒内，直接输出4～20mA，这样既省去较贵的补偿导线费用，提高了 信号长距离传送过程中的抗干扰能力。3、精度高、功耗低、使用环境 温度范围宽、工作稳定可靠。4、量程可调，并具有线性化较正功能， 热电偶温度变送器具有冷端自动补偿功能。
图1-2功率放大电路原理图
1.1.3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，采用隔离变压器来传递信号。隔离变压器实际上是电流互感 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1-2所示。副边电流 经过桥式整流和由
、
组成的阻容滤波器滤波，得到4-20mA的直流输出电流
1.1.2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。
功率放大器线路如图1-1所示，由复合管、及其射极电阻
、
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。
DC／AC／DC变换器用来对仪表进行隔离式供电。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。
下面对量程单元进行分析，应用叠加定理有： 当单独作用时，可得出如下关系： 当单独作用时，可得出：
当单独作用时，有 令 又因为 依据叠加定理： 并且， 由此可得：
1.2.1线性化原理及电路分析
线性化电路应该在热电阻温度变送器量程单元输入回路中加入。热 电阻和被测温度之间也存在着非线性关系，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0 ~500℃的测量范围内，非线性误差最大约为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。
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4~20mA(其值与输出电流
相等)时，反馈电压信号为0.2~1V，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送到运算放大器的输入端，以实现整机 负反馈。
(1)工作原理 直流-交流变换器(DC／AC)是DC／AC／DC变换器的核 心郡分。DC／AC变换器实质上是一个磁耦合对称推挽式多谐振荡器。 该变换器线路如图2-34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
为发射极电流负反馈电阻，用以稳定晶体管
、
的工作点，二极管
2.3
输出电
路.......................................................14
第三章 总结 16 附 录 I 17 参考文献 18
引言
目前在电厂测温系统中，有很大一部分设计是采用热电阻温度变送 器，将温度信号转换成4～20mA的直流电流后再送到二次仪表或其它数 据采集系统进行温度显示。这样一来，每一个测温元件都需要一个温度 变送器。电阻温度变送器是热电阻温度传感器与变送器的完美结合，以 十分简捷的方式把 -200~+600 ℃ 范围内的温度信号转换为二线制 4~20mA DC 的电信号传输给显示仪、调节器、记录仪、 DCS 等，实现 对温度的精确测量和控制。温度变送器是现代工业现场、科研院所温度 测控的更新换代产品，是集散系统、数字总线系统的必备产品。 一体 化热电阻温度变送器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能 力强、线性好、显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流 保护、工作可靠等优点。
和
(
)上分别产生感应电势 和 ，其方向如图1-3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， 将使晶体管 截止，而 则使 的基极回路产生 ，这使 增加， 的增加又使 更大。这样，瞬间的正反馈作用使 立即到达最大值，从而使 立即进入饱和状态。 处于饱和状态时，其管压降 极小，在此瞬时，可认为电源电压 等于集电极绕组
.......5
1.2 热电阻温度变送器量程单元 7
1.2.1线性化原理及电路分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
........9
1.2.2引线电阻补偿电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
，则在温度变化
时失调电压的变化量
为
现设
（1-1）
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30℃，要求时，按式(1-2)就要求wenku.baidu.com
（
）
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。
(1-5)
由此可见，在集电极电流 (近似等于 )随时间线性增加的同时，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 ，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
统一标准信号，作为指示、记录仪表或调节器等的输入信号，以实现对 温度参数的显示、记录或自动控制。
温度变送器分两大类，热电偶温度变送器：它是与各种热电偶配合 使用，可以将温度信号变换成比例的4~20mA DC电流信号和1-5 V电压 信号。
与其它变送器相比它增加了热电偶冷端补偿电路和线性化电路。热 电阻温度变送器：它也是与各种测温热电阻配合使用，并将温度信号变 换成为电信号。
，
在阻值为250Ώ的电阻 上的压降Uo(1~5V)作为变送器输出电压信号。稳压管的作用在于当电 流输出回路断线时，输出电流 可以通过而流向 ，从而保证电压输出信号不受影响。二极管
、
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1-2 隔离输出电路原理图
1.1.4直流-交流-直流（DC/AC/DC）变换器
如图2-1为便于分析，将量程单元和放大单元中的运算放大器联系 起来
图1-5热电阻温度变送器量程单元电路原理图
图中为热电阻，、、为其引线电阻，~为限压元件。两端的电压随 被测温度而变，此电压送至运算放大器的输入端。零点调整、迁移以及 量程调整电路与上述两种变送器基本相同。
热电阻温度变送器加入了线性化电路和引线补偿电路，线性化电路 置于输入回路之中。热电阻的引线补偿电路，以消除引线电阻对测量的 影响。下面对这两种电路分别加以讨论。
温度变送器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
和直流电压信号
。同时，输出电流又经反馈部分转换成反馈电压信号
，送至量程单元。 温度变送器与各种热电偶或热电阻配合使用，将温度信号转换成为
截止， 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 和 。匝数相等，副边两个绕组 和 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，罐形磁芯 的副边就输出交流方波电压。 (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，罐形磁芯接近饱和，即在 时间内磁通由
. . . . . 11
第二章 保护电路及其设计 12
2.1 输入电
路.......................................................12
2.2
输出限幅电路单
元...............................................13
第一章 热电阻温度变送器
热电阻是中低温区常用的一种测温元件。热电阻利用物质在温度变 化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。热电阻的受热部分 （感温元件）是用细金属丝均匀的缠绕在绝缘材料制成的骨架上，当被 测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质 层中的平均温度。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电 阻的测量精确度最高。