电流型热电偶温度变送器的设计

一、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。

二、设计构架
1．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。

2．电路功能
    (1)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。
    (2)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。

3．原理框图
 

4．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。

三、具体电路的设计
1．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

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