资源描述
南昌工程学院毕业设计论文
目 录
摘要……………………………………………………………………………………2
ABSTRACT………………………………………………………………………………3
简介 ………………………………………………………………………………… 4
第一章 总体设计 …………………………………………………………………… 5
1.1引言………………………………………………………………………………5
1.2隔离温度变送器电路的设计……………………………………………………6
1.3原理框图…………………………………………………………………………7
第二章元件质料 …………………………………………………………………… 8
2.1 PT100…………………………………………………………………………… 8
2.2 线性光耦………………………………………………………………………10
2.3运算放大器…………………………………………………………………… 15
第三章 温度变送器的硬件设计………………………………………………… 19
3.1 信号采集电路…………………………………………………………………19
3.2 差动放大电路…………………………………………………………………20
3.3 电压变换电路…………………………………………………………………21
3.4 V/I变换……………………………………………………………………… 21
3.5电源部分……………………………………………………………………… 22
结论…………………………………………………………………………………25
参考文献 ……………………………………………………………………… 26
附件 电路原理图………………………………………………………………… 27
致谢…………………………………………………………………………………28
摘要
以铂电阻PT100 为例,设计了高准确度温度变送器。设计时,考虑了铂电阻的非线性问题,同时考虑了工业现场中参考电压波动、干扰等对温度测量的影响。定义了温敏系数概念,并以该系数作为设计的重要技术指标。实际应用表明,该变送器具有较高的测量准确度和较强的抗干扰能力
关键词:铂电阻器;变送器;非线性;干扰;温度测量;温敏系数
Abstract
The high accuracy temperature transmitter is designed with Pt100 as example . In designing , non-linearity of platinum resistance is considered, and influence of reference voltage and interference to temperature measruement in industrial locale is also taken into account The concept of temperature sensitivity coefficient is definde .and made as the important desiganing specification Its application shows the transmitter features high measuring accruacy and high anti-interference.
Key words: platinum resistor ;transmitter;nonlinearity; interference; temperature measurement; temperature sensitive coefficient
简介
随着科技的进步,社会工业化的加大。温度已经成为自动控制中的一个不可或缺的参考量 ,人们的生活与环境的温度息息相关,在工业生产过程中需要实时测量温度及控制,在农业生产中也离不开温度的测量与控制, 温度参数应用越来越广泛, 比如炉子,热水器管道内气体或液体的温度等等,为避免严重的事故发生,保障设备和工作人员的安全,提高经济效益具有重要的意义。 因此研究温度变送器十分必要。现代信息技术的三大基础是信息采集、信息传输和信息处理。传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展 ;本次设计利用铂电阻随温度改变的性将温度的变化转变为电压的变化,经过反馈修正差动放大HCNR200/201线性光耦直接变换成一个与被测信号成极好线性关系并且完全隔离的电压,再经隔离变换,得到与输入(温度传感器)完全隔离的对应与被测点温度的直流点流输出,并采用三线式铂电阻测量电路使精度更高;本设计温度传感器的主要特点是功能单一、测温误差小、价格低、抗干扰能力强、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,鉴于它技术的成熟性和应用的广泛性以及工业生产和日常生活要求的特殊性温度变送器必将有着美好的前景和广泛的市场。
第一章总体设计
引言
隔离的变送器,是工业测量和控制的重要部件。隔离的变送器信号调理电路则是其重要组成部分,以其较强的抗干扰能力应用于各种传感器的变送器中。本文以铂电阻温度变送器的信号调理电路为例介绍了隔离的变送器信号调理电路的设计,该电路也可用于其它传感器的变送器。
铂电阻作为检测元件,广泛用于工业以及医疗卫生领域,测温范围宽,线性好,价格便宜,特别适用于机电一体化。所以,铂电阻温度变送器,尤其是隔离的变送器,是工业测量和控制必不可少的部件。
变送器信号调理电路主要用于信号放大、线性化和标准化处理。铂电阻温度变送器信号调理电路通常是由放大器和电阻网络构成,虽然成本较的低,但输入和输出是一体的,容易串进干扰,产生误差甚至损坏仪器设备。其线路复杂、抗干扰能力也较差,本文介绍热电阻(如铂电阻、铜电阻等)温度测量电路是由较新隔离放大器构成的变送器信号调理电路,具有较强的抗干扰能力,广泛适用于石油、化工、电力等领域。
1.1温度变送器电路的设计
铂电阻的温度测量范围很宽(-200°C~850°C),根据允许误差的不同,分为D、C、B和A级。其零度值误差分别为±0.48%、±0.24%、±0.12%、0.069%。
铂电阻通电流以后,会产生自热效应。为达到要求的测量精度,控制自热效应是必要的。通过铂电阻的电流不能太大,但是铂电阻测温信号与通过的电流大小成正比,所以设计铂电阻的电流要在允许自热的情况下尽可能大一些,一般选不大于lmA。如果采用1mA供电,温度升高100°C时,只能取得38.5mV的信号,信号要放大到足够大。根据铂电阻的分度表,铂电阻阻值随温度上升的增加略有下降,即存在非线性,热电阻温度变送器信号调理电路的设计要考虑信号线性化问题。
在控制系统中,变送器作为检测部件要为控制系统提供检测到的信息,为确保控制系统可靠运行,变送器提供的信息必须是电隔离的。没有隔离就没有可靠的工业控制。所谓隔离,是要求输出信号与输入信号电隔离,这就要求输出端与输入端的电源也是电隔离的。并且要保持被传送信号的特性。这样隔离的温度变送器电路,除温度、电压变换电路外,还需要有隔离放大器和隔离电源。 其中隔离有变压器隔离和光耦隔离光藕一般有两种:线性和非线性。当然在大功率电源的控制板上还会用到高速光藕,一般都是采用多个封装在一起的形式。光藕在电路上的作用主要是隔离反馈。
其实,反馈光藕一般会用线性光藕我们的 SPS 、充电板上凡是反馈用的都是线性光藕。其一边是发光二极管,一边是三极管,之间有一个电流传输比关系,这个关系对设计很重要的,其本质上是一个电流器件,对电流进行变化的。光藕作为隔离用的时候与变压器的区别是:在能量传输方面,光藕会有一定的延时,变压器则不会;广藕要有电源,变压器则不需要。
当输出电压保持恒定时,电流传输比等于直流输出电流 IC 与直流输入电流 IF 的白分比。 光耦的电流传输比( CTR )的允许范围是 50%-200% 。这是因为当 CTR 〈 50% 时,光耦中的 LED 需要较大的工作电流( IR 〉 5.0MA ),才能正常控制单片开关电源 IC 的占空比,这会增大光耦的功耗。若 CTR 》 200% ,在启动电路或者当负载发生突变时,有可能将单片开关电源误触发,影响正常输出。
我们使用HCNR200/201线性光耦器,其特点是 CTR 值能够在一定范围内做线性调整。在光耦的输入端加控制电压,在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级电路的电压,是单片机进行闭环调节控制,对电源输出起到稳压的作用。
1.2温度变送器电路的设计原理框图
PT100采集温度电压经同向放大器与100欧电阻分压(当外界温度为0度时pt100为100欧)经过比较放大电路.使输出电压保证在0-5V之间.经过线性光耦HCNR200/201隔离后,再将电压变换修正成-0.2v ~ -1 v之间经过V/I变换成4mA~20mA的电流
获取基准温度电压
温度传感器取大小随温度变化的电压
差动放大
光耦隔 离
电压变 换
V/I变换输出4-20mA 流
特点:输入、输出、电源三方完全隔离才用三线制测量电路有良好的线性输出特性.测温范围为0~150度
第二章元件质料
2.1PT100
电阻值随温度的变化称为“电阻的温度系数”,绝大多数金属材料的温度系数都是正数,而且许多纯金属材料的温度系数在一定温度范围内保持恒定。所以,热敏电阻是一种稳定的高精度、并具有线性响应的温度检测器。具体应用中选用哪一种金属材料(铂、铜、镍等)取决于被测温度范围。
铂电阻在0°C的标称电阻值是100Ω,尽管RTD是一种标准化器件,但在世界各地有多种不同的标准。这样,当同一标准的RTD用在不同标准的仪表设计中时将会产生问题。
铂金属的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多
种应用。因此,铂电阻RTD是温度测量中最稳定的标准器件。以下公式描述了PT100的特性,显然它的温度与电阻呈非线性关系:
RT = R0(1 + AT + BT2 + C(T-100)T3)
其中:
A = 3.9083 E-3
B = -5.775 E-7
C = -4.183 E-12 (低于0°C时)或0 (高于0°C时)。
表3是表格形式。
具体应用中,PT100的连接方式可以采用2线、3线或4线制(图1、2和3)。有多种模拟和数字的方法进行PT100的非线性误差补偿,我们按要求使用三线制进行补偿如下图所视
实际应用中PT100被放置在测温处与测量电路有一段距离采用三线制测量电
路可以抵消应传输线路电阻带来的影响。
2.2 线性光耦HCNR200/201介绍
光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用光耦器件及其外围电路组成。由于光耦电路简单,在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到,如UART协议的20mA电流环。对于模拟信号,光耦因为输入输出的线形较差,并且随温度变化较大,限制了其在模拟信号隔离的应用。
对于高频交流模拟信号,变压器隔离是最常见的选择,但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案,如ADI的AD202,能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度,但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换,对产生的交流信号进行变压器隔离,然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂,体积大,成本高,不适合大规模应用。
模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的,这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。
市场上的线性光耦有几中可选择的芯片,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍
HCNR200/201的内部框图如下所示
其中1、2引作为隔离信号的输入,3、4引脚用于反馈,5、6引脚用于输出。1、2引脚之间的电流记作IF,3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。输入信号经过电压-电流转化,电压的变化体现在电流IF上,IPD1和IPD2基本与IF成线性关系,线性系数分别记为K1和K2,即
K1与K2一般很小(HCNR200是0.50%),并且随温度变化较大(HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间),但芯片的设计使得K1和K2相等。在后面可以看到,在合理的外围电路设计中,真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。
HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同,差别在于一些指标上。相对于HCNR200,HCNR201提供更高的线性度。
线性度:HCNR200:0.25%,HCNR201:0.05%;
线性系数K3:HCNR200:15%,HCNR201:5%;
温度系数: -65ppm/oC;
隔离电压:1414V;
信号带宽:直流到大于1MHz。
从上面可以看出,和普通光耦一样,线性光耦真正隔离的是电流,要想真正隔离电压,需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对HCNR200/201的典型电路进行分析,对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。
典型电路分析Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路,其中较为典型的一种如下图所示:图3
设输入端电压为Vin,输出端电压为Vout,光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2,显然,,和之间的关系取决于和之间的关系。将前级运放的电路提出来看,如下图所示:
设运放负端的电压为,运放输出端的电压为,在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系:
Vo=Voo-GVi? (1)
其中是在运放输入差模为0时的输出电压,G为运放的增益,一般比较大。
忽略运放负端的输入电流,可以认为通过R1的电流为IP1,根据R1的欧姆定律得:
通过R3两端的电流为IF,根据欧姆定律得:
其中,为光耦2脚的电压,考虑到LED导通时的电压()基本不变,这里的作为常数对待。
根据光耦的特性,即
K1=IP1/IF? (4)
将和的表达式代入上式,可得:
上式经变形可得到:
将的表达式代入(3)式可得:
考虑到G特别大,则可以做以下近似:
这样,输出与输入电压的关系如下:
可见,在上述电路中,输出和输入成正比,并且比例系数只由K3和R1、R2确定。一般选R1=R2,达到只隔离不放大的目的。
辅助电路与参数确定
上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的,要想做到这一点需要对运放进行合理选型,并且确定电阻的阻值。
运放可以是单电源供电或正负电源供电,上面给出的是单电源供电的例子。为了能使输入范围能够从0到VCC,需要运放能够满摆幅工作,另外,运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。TI公司的LMV321单运放电路能够满足以上要求,可以作为HCNR200/201的外围电路。
电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流IFmax。K1已知的情况下,IFmax又确定了IPD1的最大值IPD1max,这样,由于Vo的范围最小可以为0,这样,由于考虑到IFmax大有利于能量的传输,这样,一般取
另外,由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性,因此,考虑IPD1的限制,
这样,R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定,例如如果不需要方法,只需将R2=R1即可。
另外由于光耦会产生一些高频的噪声,通常在R2处并联电容,构成低通滤波器,具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。
假设确定Vcc=5V,输入在0-4V之间,输出等于输入,采用LMV321运放芯片以及上面电路,下面给出参数确定的过程。确定IFmax:HCNR200/201的手册上推荐器件工作的25mA左右;确定R3:R3=5V/25mA=200;确定R2:R2=R1=32K。
在本设计中可采用如下电路图:
2.3运算放大器
运算放大器(简称“运放”)的作用是调节和放大模拟信号。常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、计算机工作站和无线基站
由于运算放大器的增益极高,所以不能在两输入端之间加上输入信号,而一定要用作反馈放大器。这种运算放大器基本上可分为图 2 - 9 所示的非倒相放大电路和图 2 - 10 所示的倒相放大电路两类。
(a) 非倒相放大电路
首先,我们来讨论非倒相放大电路。设 IN+ 端和 IN -端的电压分别为 和 ,并认为运算放大器的增益无限大,则为要获得有限的输出电压,则 = 。这点则是运算放大器工作中的一大特征。在此前提下,分析电路工作就能变得十分简单。根据此特征,输入与输出的关系为:
(b) 倒相放大电路
下面我们来分析倒相放大电路。 = ,这点是与非倒相放大电路情况相同的, 所以 =0V 。这样,尽管有输入信号,然而 端处为 0V 。恰似接地,所以被叫做假想接地。于是,若讨论流经 、 的电流 I ,由于运算放大器的输入电流为 0 ,则
据此,可得出输入与输出的关系
可见,非倒相放大器和倒相放大电路,是从对应于输入,其输出是否倒向这一事实出发而得名的。
(c) 差分放大电路
如图 2 - 11 所示,可将两个这种放大电路组合成差分放大电路。 端的电压 由 和 分压而得
流经 和 的电流 I 为
由上述两式可得
其中,如设 = , = ,则
即差分放大器能够获得 和 之差成正比的输出。
LM324四运放的应用
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2。
图 1
图 2
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。
下面介绍其应用实例。
反相交流放大器电路见附图。此放大器可代替晶体管进行交流放大,可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电,由R1、R2组成1/2V+偏置,C1是消振电容。
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定:Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值,Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等,然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。
同相交流放大器见附图。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路,通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定:Av=1+Rf/R4,电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。
我们采用其射随器差动放大电路有关其工作原理几情况将在下一章中介绍.
第三章温度变送器实际电路的设计
3.1信号采集电路
温度信号采集电路图如上所视
由图可知:i1=(Vk-Va)/(R12+R13)=(Vk-Vi)/R12
Vi=1/2(Va+Vk)
上图中U5为同向比例放大电路
Vb=(1+R10/R11)Vi=2Vi=Va+Vk;(R10=R11)
Vb=(R17+Rt)I;Vk=Rt*i
(R17+Rt)i=Va+Rt*i 所以: i=Va/K17
即当PT100的电阻不变时电流i也不变.
上图中U4和U5的电路完基本一样图中电阻 Rb1为PT100在0度时的电阻值,即当温度为0度时,U4和U5两边输出电压是一样的使差动放大电路输出为0V。
3.2差动放大电路
上图差动放大器电路中U7和U6电路为射集跟随器,究差动放大电路的公式可得
V0=Rf/R1(Vi2-Vi1)
=Vi2-Vi1
=(Rt-100)i
=(Rt-100)Va/R17
这样我们可以调整Va 和R17的大小使V0在0V到5V之间变化
3.3电压变换
为了将0V-5V电压变换成4mA-20mA的电流须要先将0V-5V电压变换成-0.2V到-1V电压(原因可由V/I变换中推出等式IL=-Vi/50得出)
下图为将0V-5V电压变换成-0.2V到-1V电压的原理图:
上图实际为加法电路由加法电路公式:
Vi=-R4(Vc/R37+V1/R39)
V1=R41/(R38+R41)Vcc=6.2/(100+6.2)*5=0.29V
Vi=-16000(Vc/100000+0.29/30000)=-0.16aVc+0.155
1:当Vc=0时,Vi=-0.155~=-0.2V
2:当Vc=5时,Vi=-0.955~=-1V
就此实现将0V-5V电压变换成-0.2V到-1V电压的目的。
3.4 V/I变换
按要求我们要将最后的输出变为4mA-20mA的电流起原理图如下:
究原理图可得:( Vi-Va)/R42=(Va-Vx)/R43,(R42=R43)
Vx=2Va-Vi (1)
Vy=Va+i2(R46//R47+R48)
= Va+Va/R44(R46//R47+R48),(R44=R46//R47+R48)
=2Va (2)
由 (1) (2)式 Vi=Vy-Vx
IL=(-i2)-(-i1)
= (-i2)-(Vi/R49)
=-Va/R44-Vi/R49
=-VI/50
根究电压变换中Vi为-0.2至-1伏之间所以实现了IL为4mA-20mA的电流 。
3.5电源
为达到输出信号与输入信号电隔离,必须使输出端与输入端的电源实现电隔离。并且要保持被传送信号的特性。这样隔离的温度变送器电路,除用XTR105作温度、电压变换电路外,还需要有隔离放大器和隔离电源。 非隔离电源就是输入的电源和输出的电源有电器连接。 比如使用7805把12V变成5V,12V和5V是共地的,这就是非隔离电源。 隔离电源就是输入电源和输出电源没有电器连接,通过磁路或者其他方式来连接的。 比如B0505模块,输入5V输出5V,两个5V之间没有任何电器连接
本设计使用一种新颖的单端反激式隔离开关稳压电源UC3842PWM.其内部筐图如下
UC3842PWM控制器简介
UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器,单端输出,
可直接驱动双极型晶体管和OSFET,具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点。能通过高频变压器与电网隔离,适于构成无工频变压器的(20~50)W小功率开关电源。由于器件设计巧妙,构成电路所需的元件极少,非常符合“适用、够用、好用”的原则。在一些只有直流电压供电的场合,更是起着不可或缺的作用,有着很好的应用前景。
其内部电路主要有以下性能:
●最高开关频率可达500kHz。
●采用图腾柱输出电路,能够提供大电流输出,输出电流可达1A,可直接对双极型晶体管和MOSFET进行驱动。
●内部有高稳定度的基准电压源,典型值为5.0V,允许有±0.1V的偏差。温度系数为0.2mV/℃
●稳压性能好。其电压调整率可达0.01%/V,能同第二代线性集成稳压器相媲美。启动电流小于1mA,正常工作电流为15mA。
●带锁定的PWM,可以进行逐个脉冲的电流限制。
●具有内部可调整的参考电源,可以进行欠压锁定。
图1为UC3842PWM控制器的内部结构框图。其内部基准电路产生+5V基准电压作为UC3842内部电源,经衰减得2.5V电压作为误差放大器基准,并可作为电路输出5V/50mA的电源。振荡器产生方波振荡,振荡频率取决于外接定时元件,接在4脚与8脚之间的电阻R与接在4脚与地之间的电容C共同决定了振荡器的振荡频率,f=1.8/RC。反馈电压由2脚接误差放大器反相端。1脚外接RC网络以改变误差放大器的闭环增益和频率特性;6脚输出驱动开关管的方波为图腾柱输出。3脚为电流检测端,用于检测开关管的电流,当3脚电压≥1V时,UC3842就关闭输出脉冲,保护开关管不至于过流损坏。UC3842PWM控制器设有欠压锁定电路,其开启阈值为16V,关闭阈值为10V。正因如此,可有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡。
结论
工业控制系统中常采用隔离接口单元,把输入、输出信号在电气上完全隔离,提高电子系统的抗干扰性和可靠性。隔离的温度变送器信号调理电路把传感器信号测量放大部分和输出控制部分完全隔离开来,提高了变送器的抗干扰能力,也保护了控制系统不受现场的影响。
设计电路中通过温度传感器将温度信号变换成电压信号经过差动放在根究温度传感器分度表,经过电压变换和电压电流变换成所需电流输出.
本文设计的电路也可作为其它传感器(如:压力传感器、热电偶等)的信号调理电路,具有很好的实用性。在实际应用中得到了很好的证明。
主要参考文献
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附件原理图
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