熱工控制儀表課設(shè)

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計PAGEPAGE5內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計學(xué)校代碼：10128學(xué)號：200881204119學(xué)校代碼：10128學(xué)號：200881204119課程設(shè)計說明書題目：溫度檢測及其偏差報警電路設(shè)計學(xué)生姓名：王海波學(xué)院：電力學(xué)院班級：自動化（電）08-02指導(dǎo)教師：蕭貴玲、馬然2011年7月8

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱：熱工控制儀表學(xué)院：電力學(xué)院班級：自（電）08-2學(xué)生姓名：王海波學(xué)號：200881204119指導(dǎo)教師：蕭貴玲、馬然一、題目溫度檢測及其偏差報警電路設(shè)計二、目的與意義熱電偶是控制系統(tǒng)中測溫經(jīng)常使用的一種測溫元件，本設(shè)計需掌握熱電偶檢測電路及其保護(hù)電路的設(shè)計法，通過對其電路的設(shè)計和分析培養(yǎng)提高解決工程實際的能力。三、要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計要求、圖紙量、工作量要求等）電路的主要性能指標(biāo)：基本誤差為±0.5%；環(huán)境溫度每變化25℃附加誤差不超過±0.5%；負(fù)載電阻在0~100歐姆范圍內(nèi)變化時，附加誤差不超過±0.5%。需要完成的工作：完成熱電阻測溫電路及其保護(hù)電路的設(shè)計；完成整個電路的分析；選擇所需的電路元器件；設(shè)計說明書一份。預(yù)期成果是熱電阻測溫及其保護(hù)電路設(shè)計和線路分析及其輸入與響應(yīng)關(guān)系分析。四、工作內(nèi)容、進(jìn)度安排1、第一天：總體安排課設(shè)的思路；2、第二天：收集資料，重新學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識，并把基本理論應(yīng)用到實際設(shè)計中；3、第三天――第五天：對電路進(jìn)行設(shè)計，通過對電路的設(shè)計和分析而了解儀表及其各元器件的作用；4、第六天：定稿并打印設(shè)計說明書。五、主要參考文獻(xiàn)1、吳勤勤主編《控制儀表及裝置》第三版，化學(xué)工業(yè)出版社2、唐明輝等編寫的《熱工自動控制儀表》閻石主編的《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》，高等教育出版社審核意見系（教研室）主任（簽字）指導(dǎo)教師下達(dá)時間年月日指導(dǎo)教師簽字：_______________

摘要溫度變送器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的儀表。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。帶傳感器的變送器通常由兩部分組成：傳感器和信號轉(zhuǎn)換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻；信號轉(zhuǎn)換器主要由測量單元、信號處理和轉(zhuǎn)換單元組成（由于工業(yè)用熱電阻和熱電偶分度表是標(biāo)準(zhǔn)化的，因此信號轉(zhuǎn)換器作為獨(dú)立產(chǎn)品時也稱為變送器），有些變送器增加了顯示單元，有些還具有現(xiàn)場總線功能。變送器如果由兩個用來測量溫差的傳感器組成，輸出信號與溫差之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系。故稱為溫度變送器。設(shè)計中傳感器為熱電偶，熱電偶是控制系統(tǒng)中測溫經(jīng)常使用的一種測溫元件，本文是針對熱電偶檢測電路及其報警電路的設(shè)計，通過對其電路的設(shè)計和分析培養(yǎng)提高解決工程實踐的能力。關(guān)鍵詞：變送器；熱電偶；報警；

目錄引言 5第一章熱電偶溫度變送器 61.1熱電偶工作原理 61.2變送器 61．3溫度變送器 71．4溫度變送器四線制 7第二章放大工作單元 92.1電壓放大電路 92.2功率放大電路 92.3隔離輸出 102.4直流-交流-直流轉(zhuǎn)換器 112.41工作原理 112.42振蕩頻率 13第三章熱電偶溫度變送器量程單元 143.1熱電偶溫度變送器量程單元 143.2熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電路 143.3線性化原理及電路分析 153.31線性化原理 153.32線性化電路 15第四章偏差報警單元 18４.1偏差報警原理 184.2偏差報警單元 18第五章結(jié)論 20附圖熱電偶溫度檢測及其偏差報警系統(tǒng)總體設(shè)計 21參考文獻(xiàn) 22

引言目前在電廠測溫系統(tǒng)中，有很大一部分設(shè)計是采用熱電偶溫度變送器，將溫度信號轉(zhuǎn)換成4～20mA的直流電流后再送到二次儀表或其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行溫度顯示。溫度變送器有兩線制和四線制之分，本設(shè)計主要采用四線制，四線制具有以下優(yōu)點：在熱電偶和熱電阻溫度變送器中，采用了線性化電路，實現(xiàn)了變送器輸出信號與溫度的線性關(guān)系，變送器輸入、輸出之間具有隔離變壓器，并且采取了本安防爆措施。電阻溫度變送器是熱電阻溫度傳感器與變送器的完美結(jié)合，以十分簡捷的方式把-200~+600℃溫度變送器是現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場、科研院所溫度測控的更新?lián)Q代產(chǎn)品，是集散系統(tǒng)、數(shù)字總線系統(tǒng)的必備產(chǎn)品。一體化熱電阻溫度變送器具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省引線、輸出信號大、抗干擾能力強(qiáng)、線性好、顯示儀表簡單、固體模塊抗震防潮、有反接保護(hù)和限流保護(hù)、工作可靠等優(yōu)點。

第一章熱電偶溫度變送器1.1熱電偶工作原理熱電偶是一種感溫元件，是一種儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號,通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)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，這就是所謂的塞貝殼效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系,制成熱電偶分度表;分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。1.2變送器變送器是將被測工藝參數(shù)，通過其傳感元件的檢測，轉(zhuǎn)換部件的放大和變換，輸出一個統(tǒng)一的相應(yīng)的氣壓或電流信號，再傳送到指示記錄儀、運(yùn)算器和調(diào)節(jié)器，供指示、記錄和調(diào)節(jié)。構(gòu)成原理：變送器由輸入轉(zhuǎn)換部分、放大器和反饋部分組成，如1-1圖所示：圖1-1變送器的構(gòu)成原理圖輸入轉(zhuǎn)換部分包括敏感元件，它的作用是感測被測參數(shù)x，并把被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成某一中間模擬量Z。中間模擬量Z可以是電壓、電流、位移和作用力等物理量。反饋部分把變送器的輸出信號y轉(zhuǎn)換成反饋信號，與Z是同一類型的物理量。放大器把Z和的差值放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。1．3溫度變送器溫度變送器與各種熱電偶或熱電阻配合使用，將溫度信號轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，作為指示、記錄儀表或調(diào)節(jié)器等的輸入信號，以實現(xiàn)對溫度參數(shù)的顯示、記錄或自動控制。溫度變送器分兩大類，熱電偶溫度變送器：它是與各種熱電偶配合使用，可以將溫度信號變換成比例的4~20mADC電流信號和1-5V電壓信號。與其它變送器相比它增加了熱電偶冷端補(bǔ)償電路和線性化電路。熱電阻溫度變送器：它也是與各種測溫?zé)犭娮枧浜鲜褂?，并將溫度信號變換成為電信號。如圖1-2溫度變送器構(gòu)成方框圖，敏感元件把被測溫度或其他工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)大小的輸入信號送入變送器。經(jīng)輸入回路變換成成直流毫伏信號后，與反饋信號進(jìn)行比較，其差值ε經(jīng)放大器放大并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，作為變送器的輸出信號。同時經(jīng)部分轉(zhuǎn)換成與進(jìn)行比較的反饋電壓信號，反饋到放大器的輸入端。直流~交流交換器+UZ—UF量程單元放大元件反饋回路功率放大電壓放大整流濾波輸入回路直流~交流交換器+UZ—UF量程單元放大元件反饋回路功率放大電壓放大整流濾波輸入回路隔離輸出隔離輸出圖1-2溫度變送器結(jié)構(gòu)方框圖溫度變送器特點：1、采用環(huán)氧樹脂密封結(jié)構(gòu)，因此抗震、耐溫，適合在惡劣現(xiàn)場環(huán)境中安裝使用。2、現(xiàn)場安裝于熱電阻、熱電偶的接線盒內(nèi)，直接輸出4～20mA，這樣既省去較貴的補(bǔ)償導(dǎo)線費(fèi)用，提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力。3、精度高、功耗低、使用環(huán)境溫度范圍寬、工作穩(wěn)定可靠。4、量程可調(diào)，并具有線性化較正功能，熱電偶溫度變送器具有冷端自動補(bǔ)償功能。1．4溫度變送器四線制溫度變送器四線制特點如下：1.在熱電偶和熱電阻溫度變送器中，采用了線性化電路，實現(xiàn)了變送器輸出信號與溫度的線性關(guān)系，便于指示和記錄。2.變送器輸入、輸出之間具有隔離變壓器，并且采取了本安防爆措施，故具有良好的的抗干擾性能，且能測量來自危險場所的直流毫伏或溫度信號。根據(jù)課設(shè)要求電路的主要性能指標(biāo)：基本誤差為±0.5%；環(huán)境溫度每變化25℃附加誤差不超過±0.5%；負(fù)載電阻在0~100歐姆范圍內(nèi)變化時，附加誤差不超過±故采用四線制溫度變送器。

第二章放大工作單元溫度變送器的放大單元由集成運(yùn)算放大器、功率放大器、直流-交流-直流變換器、隔離輸出等部分組成。放大單元的作用是將量程單元輸出的毫伏信號進(jìn)行電壓和功率放大，輸出統(tǒng)一的直流電流信號和直流電壓信號。同時，輸出電流又經(jīng)反饋部分轉(zhuǎn)換成反饋電壓信號，送至量程單元。2.1電壓放大電路電壓放大電路由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于來自量程單元的輸入信號很小，且放大電路采用直接耦合方式，故對溫度漂移必須加以限制。為此應(yīng)對集成運(yùn)算放大器的溫漂系數(shù)提出一定要求。這里，溫漂系數(shù)主要是指隨溫度而變化的數(shù)值（）。若設(shè)變送器使用環(huán)境溫度范圍為，失調(diào)電壓溫漂系數(shù)為，則在溫度變化時失調(diào)電壓的變化量為 （２-1）現(xiàn)設(shè)為由于的變化給儀表帶來了附加誤差，即 ，則由于式（1-1）可知（２-2）式(1-2)表示了集成運(yùn)算放大器的溫漂系數(shù)和儀表相對誤差的關(guān)系。溫漂系數(shù)越大，引起的相對誤差就越大。當(dāng)溫度變送器的最小量程為3mV，溫升為30℃，要求時，按式(1-2)就要求（）為了滿足這一要求，溫度變送器中運(yùn)算放大器所用的線性集成電路需采用低漂移型的高增益運(yùn)算放大器。2.2功率放大電路功率放大電路的作用是把運(yùn)算放大器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成具有一定負(fù)載能力的電流信號，同時，通過隔離變壓器實現(xiàn)隔離輸出。功率放大器線路如圖２-1所示，由復(fù)合管、及其射極電阻、隔離變壓器To等元件組成。它由直流—交流—直流變換器輸出的交流方波電壓供電，因而不僅具有放大作用，而且具有調(diào)制作用，以便通過隔離變壓器傳遞信號。圖２-1功率放大器原理圖采用了復(fù)合管是為了提高輸入阻抗，減小線形集成電路功耗。引入射極電阻一方面為了穩(wěn)定功率放大器的工作狀態(tài)另一方面為了從兩端取出反饋電壓。在方波電壓的前半個周期，二極管導(dǎo)通，截止，由輸入信號產(chǎn)生電流；在后半個周期內(nèi)，二極管導(dǎo)通，截止，從而產(chǎn)生電流由于和輪流通過隔離變壓器To的兩個繞組，于是在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，這個交變磁通使To的副邊產(chǎn)生交變電流，從而實現(xiàn)了隔離輸出。采用復(fù)合管是為了提高強(qiáng)入阻抗，減少線性集成電路的功耗。引入射極電阻，一方面是為了穩(wěn)定功率放大器的工作狀態(tài)，另一方面為了從兩端取出反饋電壓。由于只阻值為50，故當(dāng)流過的電流為4~20mA(其值與輸出電流相等)時，反饋電壓信號為0.2~1V，此電壓送至量程單元，經(jīng)過線性電阻網(wǎng)絡(luò)或經(jīng)過線性化環(huán)節(jié)反饋送到運(yùn)算放大器的輸入端，以實現(xiàn)整機(jī)負(fù)反饋。2.3隔離輸出為了避免輸出與輸入之間有直接電的聯(lián)系，在功率放大器與輸出回路之間，采用隔離變壓器來傳遞信號。隔離變壓器實際上是電流互感器，其變流比為1：1，故輸出電流等于功放電路復(fù)合管的集電極電流。隔離輸出電路如圖２-2所示。副邊電流經(jīng)過橋式整流和由、組成的阻容濾波器濾波，得到4-20mA的直流輸出電流，在阻值為250?的電阻上的壓降Uo(1~5V)作為變送器輸出電壓信號。穩(wěn)壓管的作用在于當(dāng)電流輸出回路斷線時，輸出電流可以通過而流向，從而保證電壓輸出信號不受影響。二極管、的作用是當(dāng)輸出端6處出現(xiàn)異常正電壓時，二極管短路，將熔斷絲燒斷，從而對電路起保護(hù)作用。圖２-2隔離輸出電路圖2.4直流-交流-直流轉(zhuǎn)換器DC／AC／DC變換器用來對儀表進(jìn)行隔離式供電。該變換器在DDZ-III型儀表中是一種通用部件，除了溫度變送器外，安全柵也要用它。它先把電源供給的24V直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率(4-5kHz左右)的交流方波電壓，再經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓，提供直流電壓。在溫度變送器中，它既為功率放大器提供方波電源，又為集成運(yùn)算放大器和量程單元提供直流電源。2.41工作原理直流-交流變換器(DC／AC)是DC／AC／DC變換器的核心郡分。DC／AC變換器實質(zhì)上是一個磁耦合對稱推挽式多諧振蕩器。該變換器線路如圖2-34所示。圖1-3中、和為基極偏流電阻,太大會影響啟振，太小則會使基極損耗增加。和為發(fā)射極電流負(fù)反饋電阻，用以穩(wěn)定晶體管、的工作點，二極管是用來防止電源極性接反而損壞變換器；~作為振蕩電流的通路，并起保護(hù)三極管、的作用。電源接通以后，電源電壓量通過為兩個晶體管和提供基極偏流，從而使它們的集電極電流都具有增加的趨勢。由于兩個晶體管的變量不可能完全相同，現(xiàn)假定晶體管的集電極電流增加得快，則磁通向正方向增加。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在兩個基極繞組和()上分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢和，其方向如圖1-3所示。由于同名端的正確安排，感應(yīng)電勢的方向遵循正反饋的關(guān)系，將使晶體管截止，而則使的基極回路產(chǎn)生，這使增加，的增加又使更大。這樣，瞬間的正反饋作用使立即到達(dá)最大值，從而使立即進(jìn)入飽和狀態(tài)。處于飽和狀態(tài)時，其管壓降極小，在此瞬時，可認(rèn)為電源電壓等于集電極繞組()上的感應(yīng)電勢，于是可從下式得知基極繞組的感應(yīng)電勢的大小。=(２-3)因為感應(yīng)電勢的大小與磁通的變化率成正比，即(２-4)而≈近似為一常數(shù)。所以，鐵芯中的磁通將隨時間線性增加，在鐵芯磁化曲線的線性范圍內(nèi)，勵磁電流亦隨時間線性增加。這時，由于發(fā)射極電位的不斷增加，基極電流將要下降，可從的基極回路列出以下關(guān)系式。（２-5）由此可見，在集電極電流(近似等于)隨時間線性增加的同時，基極電流將隨時間線性下降，直至兩者符合晶體管電流放大的基本規(guī)律為止。這時的工作狀況由飽和區(qū)退到放大區(qū)，集電極電流達(dá)最大值，與此同時磁通也到達(dá)最大值，而不再增加。由于，基極繞組感應(yīng)電勢立即等于零，立即由變?yōu)榱?。根?jù)電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)電勢立即轉(zhuǎn)變方向。在反向的作用下，立即截止，而反向的使立即飽和導(dǎo)通，這是另一方向的正反饋過程。隨后開始向負(fù)方向增加，磁通繼續(xù)下降，基極電流的絕對值逐漸減小，直至使自飽和區(qū)退到放大區(qū)。此時集電極電流達(dá)負(fù)向最大，磁通為。按照同樣的道理，使截止，又重新導(dǎo)通，如此周而復(fù)始，形成自激振蕩。由于兩個集電極繞組和。匝數(shù)相等，副邊兩個繞組和匝數(shù)也相等，因而根據(jù)電磁感應(yīng)原理，副邊兩個繞組的感應(yīng)電勢大小相等，相位相反(以12點為參考點)，于是在純阻性負(fù)載情況下，罐形磁芯的副邊就輸出交流方波電壓。2.42振蕩頻率對于理想的變換器，當(dāng)晶體管集電極電流到達(dá)最大值時，罐形磁芯接近飽和，即在時間內(nèi)磁通由增加到。因此，根據(jù)磁感應(yīng)的公式（2-6）可求得振蕩周期。（2-6）式中，為對應(yīng)繞組中的感應(yīng)電勢，其絕對值為：從電磁感應(yīng)公式可求得（2-7）（2-7）式中，，為對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為特斯拉(T)；S為磁芯截面積，單位為。從上式可以看出，頻率與電源電壓的幅值成正比關(guān)系。圖1-3直流-交流變換器第三章熱電偶溫度變送器量程單元3.1熱電偶溫度變送器量程單元圖3-1熱電偶溫度變送器量程單元電路原理圖由圖3-1可知它是將量程單元和放大單元中的運(yùn)算放大器IC1聯(lián)系起來，輸入信號Et為熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。輸入回路中阻容元件R101、R102、R101，穩(wěn)壓管VZ101、VZ102以及斷偶報警電路的作用與直流毫伏變送器大致相仿，所不同的是：在熱電偶溫度變送器的輸入回路中增加了由銅電阻RCu1、RCu2等元件組成的熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電路，同時把調(diào)零電位器RP1移到了反饋回路的之路上，在反饋回路中增加了由運(yùn)算放大器IC2等構(gòu)成的線性化電路。3.2熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電路采用兩個銅電阻，固定為50W。當(dāng)熱電偶型號不同時，只需調(diào)整幾個錳銅電阻或金屬膜電阻。按疊加原理，可求得IC1同相端的電壓UT為（3-1）此式表明當(dāng)冷端環(huán)境溫度變化時，Rcu1、Rcu2的阻值也隨之變化，使式中第二項發(fā)生變化，從而補(bǔ)償了由于環(huán)境溫度升降的熱電偶熱點勢的變化，當(dāng)銅電阻的阻值增加時，補(bǔ)償電勢U將增加得愈來愈快，即U隨溫度而變的特性是呈下凹型的，而熱電偶Et-t特性曲線的起始段一般也呈凹型，兩者相吻合。因此，這種電路的冷端溫度補(bǔ)償特性要優(yōu)越于兩線制溫度變送器的補(bǔ)償電路。3.3線性化原理及電路分析3.31線性化原理熱電偶變送器可由下面的方框圖表示：熱電偶熱電偶放大部分非線性反饋回路_Uf’ET+U圖3-2熱電偶溫度變送器線性化原理方框圖由圖可知，輸入放大器信號ε=,其中U在熱電偶冷端溫度不變時為常數(shù)，而與Et和t的關(guān)系也是非線性的，并且同熱電偶Et-t的非線性關(guān)系相對應(yīng)，因此Et和的差值ε與t的關(guān)系也就呈線性關(guān)系了，ε經(jīng)線性放大器后的輸出信號U0也就與t呈線性關(guān)系。3.32線性化電路線性化電路即非線性運(yùn)算電路實際上是一個折線電路，它是用折線法來近似表示熱電偶的特性曲線的。如圖3-3所示圖3-3非線性化運(yùn)算電路特性曲線示例圖中Uf為反饋回路的輸入信號，Ua為非線性運(yùn)算電路的輸出信號，γ1、γ2、γ3、γ4分別代表四段直線的斜率。折線的段數(shù)及斜率的大小是由熱電偶的特性來確定，一般情況下，用4~6段折線近似表示熱電偶的某段特性曲線時，所產(chǎn)生的誤差小于0.2%。IC2、R120~R122、R115、R0、Ra組成了運(yùn)算電路的基本線路線路（見圖3-4）圖3-4非線性運(yùn)算電路原理圖該線路并決定了第一線段直線斜率γ1。當(dāng)要求后一段直線斜率大于前一段時，如圖3-3中的γ2>γ1,則可在R120上并聯(lián)一個電阻,如R119,此時負(fù)反饋減小,輸出Ua減小。并連上去電阻的大小，決定于對新線段斜率的要求，而基準(zhǔn)電壓的數(shù)值和穩(wěn)壓管的擊穿電壓，則決定了什么時候由一段直線過渡到另一段直線，即決定折線的拐點。

第四章偏差報警單元４.1偏差報警原理偏差報警單元在控制系統(tǒng)的偏差超出給定范圍時，發(fā)出報警信號。報警信號由繼電器的觸點輸出，可以用來接通報警燈、報警電鈴等回路．也可以間接地驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采取必要的緊急措施。偏差報警單元的原理圖如圖４-1所示。它接受調(diào)節(jié)器偏差差動電平移動電路的輸出信號，當(dāng)（報警給定信號）時，電路就發(fā)出報警信號。圖４-1偏差報警單元原理圖4.2偏差報警單元此電路產(chǎn)生偏差報警信號的條件是UT9＞UF9或UT10＞UF10只要兩個條件中的一個條件滿足，VTI導(dǎo)通，VT2亦導(dǎo)通使繼電器K勵碰，發(fā)出報警信號。假設(shè)，備電源內(nèi)阻為零，電路在報警前有，和，代入或得或即在時，電路為報警狀態(tài)。報警后，和均處在導(dǎo)通狀態(tài)。解除報警的條件分以下兩種情況來討論。（1）在報警后。由于此時要解除報警必須滿足于是解除報警的條件為（4-1）（2）在報警后，由于此時要解賒報警必須滿足：于是解除報警的條件為：