如何實(shí)現(xiàn)溫度變送器的設(shè)計(jì)？方法介紹

今天為大家推薦的【智能溫度變送器參考設(shè)計(jì)】，具有高精度、信號(hào)隔離、LCD顯示、支持HART協(xié)議、環(huán)路供電、接口保護(hù)等特點(diǎn)，此平臺(tái)主要基于ADI的帶自校驗(yàn)功能的多通道ADC和EPSON公司的超低功耗16位MCU實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)主IC采用了24位ADC AD7124-4，該IC內(nèi)部集成了24位∑-△ADC，緩沖器和PGA(可編程增益放大器)。該變送器能將溫度(標(biāo)準(zhǔn)熱電阻或熱電偶)信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA信號(hào)，由供電環(huán)路輸出。

本參考設(shè)計(jì)，ADI為您提供：

硬件設(shè)計(jì)文檔(原理圖、PCB及BOM)

用戶(hù)操作手冊(cè)

簡(jiǎn)要介紹

下圖為參考設(shè)計(jì)【智能溫度變送器】的電路板實(shí)物圖。

1 硬件電路及連接方式

1)電源輸入 12V~39V DC (若更換高電壓 TVS,Vmax 應(yīng)可最高達(dá) 60V)電流輸出(環(huán)路) 4-20mA;

2)信號(hào)輸入: 單路熱電偶(K,T)或熱電阻(PT100, PT1000), 后續(xù)可加入其他型號(hào);

3)與 PC 機(jī)或工控機(jī)通訊，Uart (J4; Txd, Rxd,Gnd) (后續(xù)將改為 HART)。

*本評(píng)估套件提供如下接口：

電源/4-20mA電流/Hart信號(hào)，三者共用端口

傳感器RTD/TC接入端口

2 工作模式( 傳感器) 選擇

模式切換由三個(gè)按鍵+1 個(gè)段碼 lcd 實(shí)現(xiàn), 默認(rèn)為 Run 模式，上電顯示 Start 初始化，切換為純數(shù)字則進(jìn)入 Run 正常工作模式。

1)按鍵 ENTER：Debug(Setup)/Run 模式切換

進(jìn)入 Debug 模式可實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)功能——

傳感器選擇

當(dāng)前電流輸出，值由 Mcu 串口設(shè)置

2)按鍵 UP：傳感器型號(hào)滾動(dòng)切換 0-9

SEr1: PT100

SEr2: PT1000

SEr8: TC-K

SEr9: TC-T

3)按鍵 DOWN:

選定 SErX 后按下，顯示 OASx, 則目標(biāo)傳感器設(shè)置成功，同是 RTD 或 TC 切換只需按下Reset 鍵即可，若非則需重新上電。

3 Debug 模式下串口電流大小設(shè)置

按下 ENTER、鍵后進(jìn)入 Debug 模式，此時(shí)可自由設(shè)置電流大小, 目前的通訊由 MCU 的 Uart 直接輸出(J4)，與 PC 相連。 后續(xù) Hart 加上后可由環(huán)路載波輸出。

溫度變送器是將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表，主要用于工業(yè)過(guò)程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。其一般采用熱電偶、熱電阻作為測(cè)溫元件，從測(cè)溫元件輸出信號(hào)送到變送器模塊，經(jīng)過(guò)處理電路的處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度成線性關(guān)系的0mA～10mA或4～20mA標(biāo)準(zhǔn)化直流電信號(hào)輸出。但是，現(xiàn)有的二線制溫度變送器采用分立器件進(jìn)行搭建，使得其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，精度低，溫度漂移量大。

背景技術(shù)：

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)用鉑電阻作為溫度傳感元件的技術(shù)已日漸成熟。目前市場(chǎng)上的溫度變送器一般都是由分立元器件搭建的，電路更復(fù)雜且精度和穩(wěn)定性不夠好。在溫、濕度變化較大的惡劣環(huán)境應(yīng)用中，易出現(xiàn)上、下限漂移的現(xiàn)象,使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確,造成整個(gè)變送器測(cè)量準(zhǔn)確度下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為解決現(xiàn)有技術(shù)中溫度變送器在溫、濕度變化較大的惡劣環(huán)境應(yīng)用中，易出現(xiàn)上、下限漂移的問(wèn)題,本實(shí)用新型提供一種新的溫度變送器，本實(shí)用新型提供的溫度變送器能夠?qū)⑤敵鲂盘?hào)漂移現(xiàn)象減弱，從而提高溫度變送器的精度和穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種溫度變送器，包括中央集成芯片、熱敏電阻Rt、電阻RCM、調(diào)零電位器RZ、電阻RLIN、電阻RZ1、調(diào)幅電位器RG、電阻RG1，所述中央集成芯片的V+IN端連接所述熱敏電阻Rt的一端，所述熱敏電阻Rt的另一端經(jīng)電阻RCM連接所述中央集成芯片的IRET端，所述中央集成芯片的VIN端連接所述調(diào)零電位器RZ的第二腳，同時(shí)所述中央集成芯片的VIN端連接所述中央集成芯片的IR1端，所述中央集成芯片的IR2端經(jīng)電阻RLIN連接VLIN端,所述調(diào)零電位器RZ的第三腳經(jīng)所述電阻RZ1及所述電阻RCM連接所述中央集成芯片的IRET端，所述中央集成芯片的RG1端連接所述調(diào)幅電位器RG的第二腳，所述調(diào)幅電位器RG的第三腳經(jīng)電阻RG1連接所述中央集成芯片的RG2端。

所述溫度變送器還包括三極管，所述三極管的集電極連接輸入電壓端VH端，所述三極管的發(fā)射級(jí)連接所述中央集成芯片的E端，所述三極管的基極連接所述中央集成芯片的B端。

進(jìn)一步地，所述中央集成芯片采用XTR105。

進(jìn)一步地，所述熱敏電阻Rt采用PT100。

進(jìn)一步地，所述三極管采用的型號(hào)為9013。

本實(shí)用新型的有益效果：

1、本實(shí)用新型通過(guò)在調(diào)零電位器RZ、調(diào)幅電位器RG上各串聯(lián)高精度、高穩(wěn)定度的電阻RG1、電阻RZ1,從而減小調(diào)零電位器RZ、調(diào)幅電位器RG的阻值范圍,增加了調(diào)節(jié)的靈敏度,降低了調(diào)節(jié)觸點(diǎn)發(fā)生位移的程度,從而削弱了漂移現(xiàn)象;

2、本實(shí)用新型通過(guò)采用一個(gè)高精度的中央集成芯片XTR105，大大簡(jiǎn)化了原來(lái)的電路，減少了影響溫度變送器精度和穩(wěn)定性的元素;

3、本實(shí)用新型通過(guò)采用電容C1、電容C2、電容C3減弱或消除電流回路中陰連接導(dǎo)線較長(zhǎng)產(chǎn)生的無(wú)線電磁干擾,從而使輸出信號(hào)更加穩(wěn)定。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的溫度變送器的電路結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例。雖然附圖中顯示了本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施例所限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了能夠更透徹地理解本實(shí)用新型，并且能夠?qū)⒈緦?shí)用新型的范圍完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的溫度變送器的電路結(jié)構(gòu)圖，該溫度變送器包括中央集成芯片，該芯片的型號(hào)為XTR105，它是高精度的集成電路系統(tǒng),具有以下功能：

熱敏電阻的激勵(lì);完成溫度和電阻值線性化補(bǔ)償;引線電阻誤差補(bǔ)償;輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大;與附加元件實(shí)現(xiàn)波動(dòng)保護(hù)和抗干擾;特別是它內(nèi)部的線性化電路對(duì)熱敏電阻提供了二階校正，使線性化質(zhì)量上提高了40倍;內(nèi)部放大器增益可以針對(duì)測(cè)溫裝置的寬廣范圍進(jìn)行設(shè)置;整個(gè)的電流轉(zhuǎn)換器包括熱敏電阻的線性化的全部誤差在滿度-40～+85℃工作范圍內(nèi)小于±1%。所以在變送器電路組成中不需再配置其它的補(bǔ)償器和放大器，從而大大簡(jiǎn)化了現(xiàn)有技術(shù)中的電路，減少了影響溫度變送器精度和穩(wěn)定性的元素。

為了對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，本實(shí)用新型提供的溫度變送器還包括熱敏電阻Rt，該熱敏電阻Rt采用的型號(hào)為Pt100，該熱敏電阻Rt的一端連接中央集成芯片的V+IN端，該熱敏電阻Rt的另一端經(jīng)電阻RCM連接中央集成芯片的IRET端。

進(jìn)一步地，溫度變送器還包括調(diào)零電位器RZ、調(diào)幅電位器RG，該調(diào)零電位器RZ為-200℃溫度下限(零點(diǎn))調(diào)節(jié)電位器，該調(diào)幅電位器RG為溫度上限(滿量程)調(diào)節(jié)電位器，通過(guò)調(diào)整調(diào)零電位器RZ、調(diào)幅電位器RG的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)變送器的下、上限值的調(diào)校，具體地，調(diào)零電位器RZ、調(diào)幅電位器RG選擇方式如下：

調(diào)零電位器RZ為人為設(shè)置，具體阻值可以通過(guò)查分度表得知，調(diào)幅電位器RG按照以下計(jì)算方式求得：

RG=2R1{(R2+RZ)-4(R2RZ)}/(R2-R1)，該計(jì)算公式中R1為二分之一額定量程的熱敏電阻Rt阻值，R2為額定量程上限的熱敏電阻Rt值(R1、R2均可查分度表求得)。

該調(diào)零電位器RZ、調(diào)幅電位器RG的具體連接方式如下：

調(diào)零電位器RZ的第二腳連接中央集成芯片的VIN端，該調(diào)零電位器RZ的第三腳經(jīng)電阻RCM連接中央集成芯片的IRET端,該調(diào)幅電位器RG的第二腳連接中央集成芯片的RG1端，調(diào)幅電位器RG的第三腳連接中央集成芯片的RG2端。

優(yōu)選地，該溫度變送器還包括電阻RZ1及電阻RG1,該電阻RZ1、電阻RG1分別與調(diào)零電位器RZ、調(diào)幅電位器RG串聯(lián)后連接中央集成芯片，具體地，該電阻RZ1的一端連接調(diào)零電位器RZ的第三腳，電阻RZ1的另一端經(jīng)電阻RCM連接中央集成芯片的IRET端，該電阻RG1的一端連接調(diào)幅電位器RG的第三腳，電阻RG1另一端連接中央集成芯片的VIN端，通過(guò)調(diào)零電位器RZ、調(diào)幅電位器RG串聯(lián)電阻RZ1及電阻RG1來(lái)減小調(diào)零電位器RZ、調(diào)幅電位器RG的阻值范圍，增加調(diào)節(jié)的靈敏度，降低了調(diào)節(jié)觸點(diǎn)發(fā)生位移的程度,從而削弱了漂移現(xiàn)象。

進(jìn)一步地，為配合中央集成芯片對(duì)熱敏電阻Rt采集的信號(hào)進(jìn)行線性化調(diào)整，本實(shí)用新型提供的溫度變送器還包括電阻RLIN，該電阻RLIN的一端連接中央集成芯片的VLIN端，電阻RLIN的另一端連接中央集成芯片的IR2端，該電阻RLIN的選擇是由設(shè)計(jì)的測(cè)溫范圍決定，該電阻RLIN的電阻值計(jì)算方式為：

RLIN=RCM(RG-R1)/2(2R1-RG-RZ)。

進(jìn)一步地，該溫度變送器還包括三極管，該三極管采用的型號(hào)為9013，該三極管的集電極連接輸入電壓端VH，三極管的基極連接中央集成芯片的B端，三極管的發(fā)射級(jí)連接中央集成芯片的的E端，該三極管相當(dāng)于一個(gè)外部放大器,可以隔離大多數(shù)中央集成芯片從輸入增益到參考電壓的電源損耗,從而提高了溫度變換器的帶負(fù)載的能力,并保證了溫度變送器的精度。如果不使用它,會(huì)由于附加內(nèi)部電源損耗而使精度在某種程度上降低，這種影響在較低的測(cè)溫量程(輸入高增益)的設(shè)計(jì)時(shí)尤為明顯。

優(yōu)選地，為保護(hù)溫度變送器，本實(shí)用新型還配置二極管D1,該二極管D1采用的型號(hào)為1N4148，該二極管D1的陽(yáng)極連接輸入電壓端VH，二極管D1的陰極連接中央集成芯片的V+端，將中央集成芯片的供電電壓鉗住在一定安全的標(biāo)準(zhǔn)下,以免破壞熱敏電阻Rt;電路反接時(shí),它防止大回路電流進(jìn)入,起到波動(dòng)保護(hù)的作用。

優(yōu)選地，為使本實(shí)用新型提供的電路更好的工作，該二限制變送器還配置電容C1、電容C2、電容C3，電容C1的一端連接中央集成芯片的IR2端，電容C1的另一端經(jīng)電阻RCM連接中央集成芯片的IRET端，電容C2的一端連接中央集成芯片的V+端，電容C2的另一端連接中央集成芯片的IG端，電容C3的一端并聯(lián)在電阻RCM的兩端，電流回路中的連接導(dǎo)線如果較長(zhǎng),就會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電磁干擾,從而影響輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，通過(guò)電容C1、電容C2、電容C3減弱或消除這種干擾。

本實(shí)用新型的工作原理：

本實(shí)用新型利用熱敏電阻Rt的阻值隨溫度變化而變化的特性，熱敏電阻Rt阻值的變化，從而帶來(lái)電壓信號(hào)的變化，將熱敏電阻Rt兩端的電壓輸入中央集成芯片的V+IN端，通過(guò)中央集成芯片內(nèi)部的V/I轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行變換，從而使輸出電流信號(hào)為DC4～20mA。

綜上所述，本實(shí)用新型提供的溫度變送器能夠?qū)⑤敵鲂盘?hào)漂移現(xiàn)象減弱，同時(shí)減少無(wú)線電磁干擾，從而提高溫度變送器的精度和穩(wěn)定性。

盡管已經(jīng)示出和描述了本實(shí)用新型的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本實(shí)用新型的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。

溫度變送器，可以簡(jiǎn)單理解為是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為其他模擬量信號(hào)的隔離器，那溫度變送器的設(shè)計(jì)原理是怎樣的呢?下面我們簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)溫度變送器的兩種設(shè)計(jì)原理吧。

溫度變送器的設(shè)計(jì)原理早期都是通過(guò)模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它包括熱電阻溫度變送器和熱電偶溫度變送器。熱電阻信號(hào)是二元一次的拋物線規(guī)律，可通過(guò)定電流加輸出端補(bǔ)償反饋來(lái)達(dá)到線性輸出，不同的輸入范圍需要修改內(nèi)部電路，調(diào)整放大倍數(shù)和補(bǔ)償大小;熱電偶信號(hào)可以看成圍繞直線兩端的折線信號(hào)，不在精度范圍，需通過(guò)多個(gè)折線補(bǔ)償將其修正，達(dá)到輸出在精度范圍內(nèi)。不同的輸入范圍，需要修改放大倍數(shù)，調(diào)整多個(gè)折線補(bǔ)償，計(jì)算和修改內(nèi)容比較復(fù)雜，所以產(chǎn)能有限。

數(shù)字電路是程序員把輸入信號(hào)的規(guī)律用編程的方式將其導(dǎo)入到芯片中，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)把全部類(lèi)型都編寫(xiě)進(jìn)去。設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)花費(fèi)大量工時(shí)，但在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)非常便捷，通過(guò)軟件修改輸入類(lèi)型和量程即可，非常的高效，所以目前越來(lái)越多的產(chǎn)品都是通過(guò)數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

但由于模擬電路設(shè)計(jì)的溫度變送器各方面成本比數(shù)字電路的相對(duì)低，所以在價(jià)格上還是有它的優(yōu)勢(shì)，暫時(shí)不會(huì)被數(shù)字電路完全取代。