傳感器論文(共14頁)

1、學 號 1207040215天津城建(chn jin)大學 傳感器課程設計設計(shj)說明書鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）與XTR101組成的 二線制溫度變送器起止日期： 2015 年 11 月 15 日 至 2015 年 11 月 30 日學生姓名江 江班級12電信2班成績指導教師(簽字) 計算機與信息工程學院(xuyun) 2015年 11月 30 天津城建(chn jin)大學設 計 任 務 書計算機與信息工程 學院(xuyun) 電子(dinz)信息工程 專業(yè) 12電信1、2 班 設計題目：設計由鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）與XTR101組成的二線制溫度變送器 完成期限：自 2015 年 11

2、 月 15 日至 2014年 11 月 30 日止指導 教 師： 教研室主任： 院 長： 學 生 簽 字 ： 批 準 日期： 接受任務日期： 2015 年 11 月 13 日 一、設計原始(yunsh)依據：溫度是最基本的環(huán)境參數，人們的生活和溫度息息相關，在工業(yè)生產過程中需要實時測量溫度，在農業(yè)生產中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置有重要的意義。測溫傳感器種類繁多，其中(qzhng)熱電偶是一種性能良好的測溫傳感器，與其他傳感器相比具有測溫范圍寬現行度好等特點，其輸出輸出是毫伏級信號，變送器可以將其變換成420mA的電流信號以便遠距離傳輸和計算機采集。二、設計內容(nirng

3、)和要求：設計一臺由XTR101組成的二線制溫度變送器，測溫傳感器采用鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）測溫范圍01000采用BB公司的專用控制芯片XTR101測溫傳感器采用鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）對應溫度范圍要求變換為420mA電流信號要求：論文要求結構合理，語句通順、準確，書寫規(guī)范。圖形電路繪制準確，論文書寫符合規(guī)范化要求。 論述熱電偶的測溫原理繪制完整的電路圖計算主要元件參數，決定零點和滿量程數值的元件參數TOC o 1-2 h u 目錄(ml) HYPERLINK l _Toc24956 第一章(y zhn) 課程設計的目的及要求1 HYPERLINK l _Toc27650 1.1 設計(sh

4、j)目的1 HYPERLINK l _Toc23028 1.2設計要求1 HYPERLINK l _Toc20604 第二章 課程設計的基本原理2 HYPERLINK l _Toc12534 2.1熱電偶測溫原理2 HYPERLINK l _Toc29636 2.2變送器原理框圖2 HYPERLINK l _Toc11608 第三章 課程設計的主要內容3 HYPERLINK l _Toc11927 3.1熱電偶的選擇3 HYPERLINK l _Toc17686 3.2設計構架3 HYPERLINK l _Toc1616 3.3具體電路的設計5 HYPERLINK l _Toc31280 第四

5、章 課程設計的心得與體會9 HYPERLINK l _Toc26323 第五章 參考文獻 PAGEREF _Toc26323 10 第一章 課程設計的目的(md)及要求(yoqi)1.1 設計(shj)目的1、掌握熱電偶的結構、工作原理及正確選擇。2、了解變普通送器的結構及簡單應用。3、通過設計增加對所學知識的靈活掌握和綜合應用能力。1.2設計要求（1） 設計測量溫度范圍01000的熱電偶傳感器 （2） 選用合適的熱電偶材料，設計測溫電路，采用BB公司的專用控制芯片XTR101測溫傳感器采用鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型），對應溫度范圍要求變換為420mA電流信號。（3） 繪制完整的電路圖，計算主要元

6、件參數，決定零點和滿量程數值的元件參數。 第二章 課程設計的基本原理2.1熱電偶測溫原理(yunl)下圖為熱電偶測溫原理圖，熱電偶的熱端與被測物體接線(ji xin)，溫度為t。 圖2.1 熱電偶測溫原理圖電偶是一種感溫元件(yunjin)，是一種儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號, 通過電氣儀表（二次儀表）轉換成被測介質的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢熱電動勢。熱電偶的冷端放在冰水混合液中，整個回路的電動勢由右邊的毫伏表讀出，以此讀數查表即可得熱端被測物體的溫度。但測溫方法

7、有很多缺點，如冷鍛必須為0，電路電動勢為毫伏級，不易測量等，故設計熱電偶溫度變送器。該變送器將對冷端進行補償，并將電動勢值放大，其測溫范圍為01000。2.2變送器原理框圖溫度01000信號采集K型熱電偶，采集溫度信號處理XTR101 放大變換銅電阻 溫度補償測量標準的電信號（420mA）恒流源供電圖2.2變送器原理(yunl)框圖第三章 課程設計的主要(zhyo)內容3.1熱電偶的選擇(xunz)熱電偶是工業(yè)上廣泛使用的溫度傳感器，它最大的優(yōu)勢就在于溫度測量范圍極寬，理論上從-270的極低溫度到2800的超高溫度都可以測量，并且實際應用中在600-2000的溫度范圍內可以進行最精確的溫度測量

8、。在化工、石油、電力、冶煉等行業(yè)的自動化控制系統中熱電偶發(fā)揮著對溫度的監(jiān)控作用。熱電偶主要有以下幾種標準化的型號： = 1 * GB2 （S型熱電偶）鉑銠10-鉑熱電偶 = 2 * GB2 （R型熱電偶）鉑銠13-鉑熱電偶 = 3 * GB2 （B型熱電偶）鉑銠30-鉑銠6熱電偶 = 4 * GB2 （K型熱電偶）鎳鉻-鎳硅熱電偶 = 5 * GB2 （N型熱電偶）鎳鉻硅-鎳硅熱電偶 = 6 * GB2 （E型熱電偶）鎳鉻-銅鎳熱電偶 = 7 * GB2 （J型熱電偶）鐵-銅鎳熱電偶 = 8 * GB2 （T型熱電偶）銅-銅鎳熱電偶本次課程設計選用（K型熱電偶）鎳鉻-鎳硅熱電偶，此熱電偶是目前

9、用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極（KP）的名義化學成分為：Ni：Cr=90：10，負極（KN）的名義化學成分為：Ni：Si=97：3，其使用溫度為-2001300。其主要特點：（1）K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所采用。K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。3.2設計構架（1）設計要求 整套系統要求在0100范圍對應輸出4mA20mA的電流型溫度變送器。 在實際的工業(yè)化需求中，往往需要設計為標準信號的變送器，以

10、便與儀表和后續(xù)接口電路兼容。在輸出為模擬信號時，有電壓型和電流型兩種變送器。電壓型變送器的輸出為05v，雖然其在信號處理方面具有優(yōu)勢，但抗干擾能力較差，在遠距離傳輸時信號衰減大，而電流型變送器卻在這方面獨具優(yōu)勢。因此在工業(yè)實踐中得以廣泛應用。 通常，電流型變送器有輸出020mA和420mA兩種。對于輸出020mA的變送器，雖然電路調試(dio sh)及數據處理都比較簡單。但對于輸出420mA的變送器，能夠在傳感器線路不通時，通過是否能檢測到正常范圍內的電流，判斷電路是否出現故障，因此使用更為普遍。 （2）電路(dinl)功能【1】溫度(wnd)補償圖 3.1 補償電路當熱電偶測溫時，其冷端溫度

11、受環(huán)境變換影響較大，從而會影響最后測量的電信號。為了能得到穩(wěn)定的電信號，以便算出真實的待測溫度，需要對熱電偶的冷端進行溫度償。 【2】信號(xnho)的放大 熱電偶測溫的原理是基于熱電轉換效應。雖然它集放熱、轉換為一體(yt)，能直接實現溫度到電壓的輸出，但輸出幅度很微小。如K型熱電偶的靈敏度為0.04mv/。因此(ync)，對其信號必須進行放大?！?】主要器件 A、熱電偶作為感溫元件，采集溫度信號；B、銅電阻作為補償電阻，補償熱電偶的冷端溫度；C、XTR101為小信號處理專用芯片，將輸入的微弱信號放大后便于遠端傳輸；D、RL負載電阻，便于電信號的測量。3.3具體電路的設計 (1)XTR101

12、信號調理芯片 為了得到穩(wěn)定的4mA20mA的輸出電流，我們選用常用的信號放大芯片XTR101。XTR101通用型變送器單片模塊電路，可把傳感器的電壓信號自動地變換成標準電流信號。內含一個高精度的儀表放大器、一個電壓/電流變換器和二個相同的1mA精密恒流源基準。該電路失調電壓低，最大為30uV，漂移小，最大為0.75uV/，外接元件可適于遠程信號傳輸變換和熱電偶、電阻溫度計、熱敏電阻以及應變計電橋登多種工作狀態(tài)的變送器電路。實際應用時，應在輸出端外加一個功率管，使工作時的熱源外移，以保證其工作穩(wěn)定性。傳感器的電壓信號由3、4腳輸入，5、6腳外接電阻Rs可以調節(jié)輸出滿幅度，1、2、14腳外接電位器

13、組成出示調零電路，10、11腳分別輸出兩個1mA恒流，可以用于傳感器供電，8腳接電源正端（也且是環(huán)流注入端），7腳通過負載電阻RL接電源負極（也是環(huán)流信號輸出端），12、8、9可外接功率管。XTR101兩線制變送器的優(yōu)點是抗干擾能力很強，長期運轉導致的壓降、電機噪音、繼電器、電力拖動裝置、電器開關、電流互感器和工作設備電源的頻繁切換啟動均無影響。它的工作溫度范圍為-40至80。XTR101芯片電路圖如圖2所示，R1=1k，R2=52.6，R3=R4=1.25k，Rs為調增益的電阻。 圖3.2 XTR101芯片(xn pin)內部電路圖；。且;。可導出： （11）又因為(yn wi)R1兩端電壓

14、和R2兩端電壓相等，即可求得： （12）有上式可導出：(2)要點(yodin)分析 【1】增益調節(jié) Rs為增益調節(jié)電阻，調節(jié)Rs可使輸入電壓Ein在從最小值變到最大值時使輸出電流Io從4mA變到20mA。即I=16mA的輸出電流。需要注意的是：為使Io不超過20mA，當Rs=時，Ein不應超過1V，而當Rs減小時，Ein也應相應減小。 【2】輸入偏置由于XTR101使用的是單電源，因此在正常工作時，信號輸入端應加+5V左右的偏置電壓。該電壓可利用2個內部參考電流源或其中之一通過一個電阻產生所需電壓。如圖3中的R2。由于2個輸入端都存在直流偏壓，這就相當于在放大器的輸入端存在一個共模電壓，XTR

15、101的技術指標中已經包含了這部分誤差。圖3.3 熱電偶測溫電路(dinl) 【3】零點(ln din)調整 XTR101可以把任何范圍(小于1v)的電壓信號變換為420mA的輸出電流，它的任務就是在輸入電壓最小時使輸出電流為4mA，即零點調整(tiozhng)，也就是使零點能夠上下偏移?？衫脠D4中的電阻R3和1mA的內部參考電流源在R3上所產生的壓降V3來作為偏移電壓進行零點調整。即調節(jié)R3，讓其在V3=(V3)min時，使： Ein=V4-(V3)min=0?！?】溫度補償 當熱電偶測溫時，其冷端溫度受環(huán)境變換影響較大，從而會影響最后測量的電信號。為了能得到穩(wěn)定的電信號，以便算出真實的待

16、測溫度，需要對熱電偶的冷端進行溫度補償。 我們選用銅電阻作為補償元件，是因為它在常溫下具有很好的穩(wěn)定性。 設熱電勢為E(t，t0)，若冷端溫度t0變化t1后，熱電勢就變?yōu)镋(t，t1)，即E=E(t，t0)-E(t，t1)，銅電阻就是用于對隨溫度變化的E進行自動補償。將銅電阻和熱電偶的冷端一同置于室內環(huán)境溫度下，將熱電偶放入冰水混合液中。調節(jié)R3使輸入電壓為0mV，而在其后的各溫度點進行測量時，不再調節(jié)R3，雖然環(huán)境溫度會變化，對熱電偶有影響，但銅電阻的阻值也會隨環(huán)境溫度的變化而變化，導致其兩端的電壓改變，這種變化的電壓就是用于抵消熱電偶受溫度變化影響的電勢，從而達到補償目的。 我們(w me

17、n)選用分度號為100的銅電阻(dinz)，即在0時的電阻為100，在100時的電阻(dinz)為142.80，所以銅電阻的敏感系數為R/t=42.8Q/100，在溫度為t時刻時，銅電阻的阻值Cut=100+(42.8/100)t。（3）各參數的選擇計算【1】增益調節(jié)電阻 因為設計要求，選擇溫度范圍：01000。當t=500時，Io=20 mA，RL選510，所以URL=10.2V，這就需要調節(jié)Rs，即調節(jié)增益電阻。當溫度為0時，熱電偶電壓E為0 mV，靈敏度為：0.053mV/。 當溫度為500時，Io=20mA，Ein=31.8mV。 根據公式(1-1)：Io=(40/Rs+0.016/)

18、Ein 又因為Iomax=20mA-4mA=16mA，Emax=31.8mV-0mV=31.8mV 所以有16 mA=(40/Rs+0.016/)31.8mV 得Rs=77【2】調零電阻和溫度系數補償電阻將熱電偶的熱端置于500的溫度環(huán)境中，設此時環(huán)境溫度為20。由于熱電偶的溫度系數為0.053mv/，若其冷端感應的溫度由20變化至100，則熱電偶兩端的電壓由3.2 mV變化至0mV，電壓差為3.2mv。這個差值應由Cut100和R1的并聯電阻兩端電壓自動補償。 當冷端溫度為20時，Cut100=100+(42.8/100)*20=108.56。 當冷端溫度為100時，Cutl00=100+(

19、42.8/100)*100=148.8。148.8*R1/(148.8+R1)-108.56*R1/(108.56+R1)*1mA=0.053mV/*(100-20)可得：R1=61.3。根據公式：Io=(40/Rs+0.016/)Ein+4mA，和Io的輸出范圍：4mA20mA當T=-100時，要使Io=4mA，就要調節(jié)R3，既調零電阻。將熱電偶熱端置于0的溫度環(huán)境中。此時環(huán)境溫度仍為20，即溫差為-20，熱電式E=-200.053mV/=1.06mV， 3,4 間的信號輸入 Ein=0mV，Cu100(20)=100+(48.8/100)*20=109.6 根據圖3，可得： V4=E(t,t0)+1mACu100(20)/(Cu100(20)+R1) V3=1mAR3 在0測量點(零點)：V4=V3， 即：1mA108.56-61.3/(108.56+61.3)-1.06 mV=1mA*R3 可推出：R3=97.84 （3）調試(dio sh)【1】調零。將熱電偶觸頭放入冰水混合液中，即0中。接上電源后，邊調節(jié)電位器R3，邊測RL