溫度變送器的設(shè)計(一體化兩線制4～20mA輸出)

1. 二根線完成電源的輸入及4~20mA直流電流輸出, 即二根線既是電源線也是4~20mA標準信號輸出線。
2. 由于二線制一體化變送器安裝在傳感器接線盒中,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性化電路，從而使變送器的4~20mA 輸出信號和被測溫度呈線性關(guān)系。
4. 在熱電偶溫度變送器中，要進行冷端補償，冷補范圍0~100℃。

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

熱電阻 Pt100 為例的二線制變送器的設(shè)計

1、信號采集電路
    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)系可通過分度號表查詢。
    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是一個保護二極管，防止輸入電壓反接可能帶來的對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，組成一個電阻測量電橋。由于一體化二線制熱電阻變送器安裝在接線盒內(nèi)，引線電阻忽略不計。R1、R2、R3、R4 可以確定下來（其值見圖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不同而取不同的值。如Pt100 測量時R4 取100W，Cu50 測量時R4取50W。電橋中間兩點電壓作為后續(xù)差動放大器的輸入信號。分別為：
 
因R2=R3>>R4 及R5, 故：

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

3、調(diào)零、電源平衡及二級放大電路
    對零點進行調(diào)節(jié)的電路，實質(zhì)上就是調(diào)節(jié)本級放大電壓輸出的大小, 保證在信號源零度（R5=100W, 第一級放大器輸出為零）時整個回路電流I1=4mA。它由R10、R16、R13、W1 組成，實質(zhì)上就是在本級電壓輸入正端疊加一個調(diào)零電壓，使不足4mA 的靜態(tài)工作電流達到4mA。此外，在該電路中，還有一個部分，那就是減小電源波動對電路輸出的影響，即電路中的R15,它可以抑制電源波動帶來的影響。當外界電壓源發(fā)生較大的波動時(或負載電阻RL 變化)，電路靜態(tài)工作電流會發(fā)生微小變化,我們可以利用R15 來穩(wěn)定輸出電流。其工作原理一方面是電源增大帶來靜態(tài)電流增加,另一方面電源的增大通過R15 加到本級放大器的負端起到減法作用, 使本級輸出電壓下降, 選擇合適的R15 阻值, 可以保證電源在允許范圍內(nèi)波動時輸出電流的穩(wěn)定。R17 決定二級放大倍數(shù)。
4、調(diào)滿電路和V/I 轉(zhuǎn)換電路
    調(diào)滿電路是由R18、R20、W2組成的對上一級電壓輸出V2 分壓構(gòu)成。通過對W2 的調(diào)節(jié)，使得最后輸出（信號源最高輸入時整個電路的輸出）達到要求的輸出結(jié)果V(W2 中間抽頭電壓)。R21、R22、R23、R24、R25 及運放組成一個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，整個電路電流輸出I2≈V/R25。R26是一個負載電阻。