电流型热电偶温度变送器的设计
中心议题：
- 列出电流型热电偶温度变送器的设计构架
- 介绍具体设计电路及对其进行调试及测量
解决方案：
- 采用电流型变送器更合理
- 对热电偶的冷端进行温度补偿，稳定电信号
前言
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。因此我们开发设计出一套具有较高精度和稳定性的实用性K型热电偶温度变送器。
设计构架
a.设计要求
整套系统要求在0～100℃范围对应输出4mA～20mA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0～5v，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0～20mA和4～20mA两种。对于输出0～20mA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4～20mA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。
b.电路功能
信号的放大
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。
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补偿。
原理框图
主要器件
热电偶作为感温元件，采集温度信号；铂电阻作为补偿电阻，补偿热电偶的冷端温度；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；RL为远端的负载电阻，便于电信号的测量。
具体电路的设计
a.XTR101信号调理芯片
为了得到稳定的4mA～20mA的输出电流，我们选用常用的信号放大芯片XTR101。
XTR101是一个精密、低漂移的双线变送器，它可以把微弱的电压信号进行放大并变换成4mA～20mA的电流信号后进行远距离传送。它由一个高精度的仪表放大器、压控输出电流源和2个精密的1mA电流源组成。
其输入管脚为：3、4；输出管脚为：7、8；且；输出范围4mA～20mA；增益调节端为Rs端；电源端Vcc=24V。
XTR101芯片电路图如图2所示，R1=1kΩ，R2=52.6Ω，R3=R4=1.25kΩ，Rs为调增益的电阻。
图2 XTR101芯片电路图
图中：I1=(V4-V3)/Rs=ein/Rs；I2=(V1-V3)/R3；I3=(V1-V4)/R4．
且I4=I1+I2；I3=I1+0.1mA；I4=Ie。
可导出：Ie=2ein/Rs+ein/1250+0.1mA (1-1)
又因为R1两端电压和R2两端电压相等，即Ie•R=I5•R2，
可求得：I5=I9Ie
I6=I5+Ie=20Ie (1-2)
由(1-1)、(1-2)可导出：
Io=I8+2mA=(40/Rs+0.016Ω)ein+4mA
b.要点分析
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。
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，如图3中的R2。
图3热电偶测温电路
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。如果偏置不是5V，而是另外一个共模电压CMV，则会在输入端引入(CMV-5)/CMRR的失调误差(CMRR是共模抑制比)。
零点调整
XTR101可以把任何范围(小于1v)的电压信号变换为4～20mA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，也就是使零点能够上下偏移。可利用图3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。
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补偿。
我们选用铂电阻作为补偿元件，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)，铂电阻就是用于对随温度变化的△E进行自动补偿。将铂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R3，虽然环境温度会变化，对热电偶有影响，但铂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的铂电阻，即在0℃时的电阻为100Ω，在266℃时的电阻为200Ω，所以铂电阻的敏感系数为△R/△t=100Q/266℃，在温度为t时刻时，铂电阻的阻值Rpt=100Ω+(100Ω/266℃)t。
c.各参数的选择计算
增益调节电阻
为了实验的调节方便，选择温度范围：0℃～100℃。当t=100℃时，Io=20 mA，RL选510Ω，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：0.04mV/℃。
当温度为0℃时，Io=4mA，ein=0mV；
当温度为100℃时，Io=20mA，ein=4mV。
根据公式(1-1)：△Io=(40/Rs+0.016/Ω)△ein
又因为△Iomax=20mA-4mA=16mA，△emax=4mV-0mV=4mV
所以有16 mA=(40/Rs+0.016/Ω)4mV
得Rs=10Ω
调零电阻和温度系数补偿电阻
将热电偶的热端置于100℃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0.04mv/℃，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Rpt100和R1的并联电阻两端电压自动补偿。
当冷端温度为20℃时，Rpt100=1000+(100Ω/266℃)*20℃=107.52Ω。
当冷端温度为100℃时，Rptl00=100Ω+(100Ω/266℃)*100℃=137.6Ω。
由：[137.6*R1/(137.6+R1)-107.52*R1/(107.52+R1)]*1mA=0.04mV/℃*(100-20)℃
可得：R1=51.7Ω。
根据公式：Io=(40/Rs+0.016/Ω)ein+4mA，和Io的输出范围：4mA～20mA当T=0℃时，要使Io=4mA，就要调节R3，既调零电阻。将热电偶热端置于0℃的温度环境中。此时环境温度仍为20℃，即温差为-20~C，热电式E=-20℃•0.04mV/℃=0.8mV，3、4间的输入信号ein=0mV，Rpt100(20℃)=100Ω+(100Ω/266℃)*20℃
=107.52Ω。
根据图3，可得：
V4=E(t,t0)+1mA•[Rpt100(20℃)/(Rpt100(20℃)+R1)]
V3=1mA•R3
在0℃测量点(零点)：V4=V3，
即：1mA•[107.52-51.7/(107.52+51.7)]-0.8 mV=1mA*R3
可推出：R3=34.11Ω
调试及测量
a.调试
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两端电压约为2.04V，即输出电流Io为4 mA。
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。
将热电偶插入加热炉内的测试端，控制炉内温度，从0℃开始，每上升20℃，测量一次RL两端电压，直到100℃。
b.数据分析
在量程范围内等间距取样5个点，分别按照正行程、反行程，测出输出电流，其数据曲线如图4所示，计算出线性度、灵敏度、重复性及迟滞。
(1)灵敏度S
S=△Y/△X=(20-4)/(100-0)=0.16mA/℃
(2)线性度δL
图4理论直线为白色，实际特征曲线为红色
δL=|16.71-16.80|/(20-4)×100％=0.56％
(3)重复性δK
δK=(16.78-16.65)/(20-4)×100％=0.81％
(4)迟滞δH
δH=(16.78-16.61)/(20-4)×100％=1.06％
(5)精度A
A=√(δL)2+(δK)2+(δH)2=1.44％
结论
这套热电偶温度变送器的测量精度达到1.44％，即满量程误差为1.44℃，完全能满足实际要求。并且该系统选价适中，元件少，电路结构清晰，性能稳定，不仅能直接应用于工业温度测量，还将对以后传感器教学、实验及毕业设计具有指导意义。
