热工控制仪表课设

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内蒙古工业大学本科课程设计学校代码：10128学号：200881204119课程设计说明书题目：温度检测及其偏差报警电路设计学生姓名：王海波学院：电力学院班级：自动化（电）08-02指导教师：萧贵玲、马然2011年7月8日22 内蒙古工业大学本科课程设计内蒙古工业大学课程设计任务书课程名称：热工控制仪表学院：电力学院班级：自（电）08-2学生姓名：王海波学号：200881204119指导教师：萧贵玲、马然一、题目温度检测及其偏差报警电路设计二、目的与意义热电偶是控制系统中测温经常使用的一种测温元件，本设计需掌握热电偶检测电路及其保护电路的设计法，通过对其电路的设计和分析培养提高解决工程实际的能力。三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）电路的主要性能指标：基本误差为±0.5%；环境温度每变化25℃附加误差不超过±0.5%；负载电阻在0~100欧姆范围内变化时，附加误差不超过±0.5%。需要完成的工作：1、完成热电阻测温电路及其保护电路的设计；2、完成整个电路的分析；3、选择所需的电路元器件；4、设计说明书一份。预期成果是热电阻测温及其保护电路设计和线路分析及其输入与响应关系分析。四、工作内容、进度安排1、第一天：总体安排课设的思路；2、第二天：收集资料，重新学习相关的理论知识，并把基本理论应用到实际设计中；3、第三天――第五天：对电路进行设计，通过对电路的设计和分析而了解仪表及其各元器件的作用；4、第六天：定稿并打印设计说明书。五、主要参考文献1、吴勤勤主编《控制仪表及装置》第三版，化学工业出版社2、唐明辉等编写的《热工自动控制仪表》阎石主编的《数字电子技术基础》，高等教育出版社审核意见系（教研室）主任（签字）指导教师下达时间年月日指导教师签字：_______________22 内蒙古工业大学本科课程设计摘要温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。变送器如果由两个用来测量温差的传感器组成，输出信号与温差之间有一给定的连续函数关系。故称为温度变送器。设计中传感器为热电偶，热电偶是控制系统中测温经常使用的一种测温元件，本文是针对热电偶检测电路及其报警电路的设计，通过对其电路的设计和分析培养提高解决工程实践的能力。关键词：变送器；热电偶；报警；22 内蒙古工业大学本科课程设计目录引言5第一章热电偶温度变送器61.1热电偶工作原理61.2变送器61．3温度变送器71．4温度变送器四线制7第二章放大工作单元92.1电压放大电路92.2功率放大电路92.3隔离输出102.4直流-交流-直流转换器112.41工作原理112.42振荡频率13第三章热电偶温度变送器量程单元143.1热电偶温度变送器量程单元143.2热电偶冷端温度补偿电路143.3线性化原理及电路分析153.31线性化原理153.32线性化电路1522 内蒙古工业大学本科课程设计第四章偏差报警单元18４.1偏差报警原理184.2偏差报警单元18第五章结论20附图热电偶温度检测及其偏差报警系统总体设计21参考文献2222 内蒙古工业大学本科课程设计引言目前在电厂测温系统中，有很大一部分设计是采用热电偶温度变送器，将温度信号转换成4～20mA的直流电流后再送到二次仪表或其它数据采集系统进行温度显示。温度变送器有两线制和四线制之分，本设计主要采用四线制，四线制具有以下优点：在热电偶和热电阻温度变送器中，采用了线性化电路，实现了变送器输出信号与温度的线性关系，变送器输入、输出之间具有隔离变压器，并且采取了本安防爆措施。电阻温度变送器是热电阻温度传感器与变送器的完美结合，以十分简捷的方式把-200~+600℃范围内的温度信号转换为二线制4~20mADC的电信号传输给显示仪、调节器、记录仪、DCS等，实现对温度的精确测量和控制。温度变送器是现代工业现场、科研院所温度测控的更新换代产品，是集散系统、数字总线系统的必备产品。一体化热电阻温度变送器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能力强、线性好、显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、工作可靠等优点。22 内蒙古工业大学本科课程设计第一章热电偶温度变送器1.1热电偶工作原理热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝壳效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。1.2变送器变送器是将被测工艺参数，通过其传感元件的检测，转换部件的放大和变换，输出一个统一的相应的气压或电流信号，再传送到指示记录仪、运算器和调节器，供指示、记录和调节。构成原理：变送器由输入转换部分、放大器和反馈部分组成，如1-1图所示：图1-1变送器的构成原理图输入转换部分包括敏感元件，它的作用是感测被测参数x，并把被测参数转换成某一中间模拟量Z。中间模拟量Z可以是电压、电流、位移和作用力等物理量。反馈部分把变送器的输出信号y转换成反馈信号，与Z22 内蒙古工业大学本科课程设计是同一类型的物理量。放大器把Z和的差值放大，并转换成标准输出信号。1．3温度变送器温度变送器与各种热电偶或热电阻配合使用，将温度信号转换成为统一标准信号，作为指示、记录仪表或调节器等的输入信号，以实现对温度参数的显示、记录或自动控制。温度变送器分两大类，热电偶温度变送器：它是与各种热电偶配合使用，可以将温度信号变换成比例的4~20mADC电流信号和1-5V电压信号。与其它变送器相比它增加了热电偶冷端补偿电路和线性化电路。热电阻温度变送器：它也是与各种测温热电阻配合使用，并将温度信号变换成为电信号。如图1-2温度变送器构成方框图，敏感元件把被测温度或其他工艺参数转换成相应大小的输入信号送入变送器。经输入回路变换成成直流毫伏信号后，与反馈信号进行比较，其差值ε经放大器放大并转换成统一标准信号，作为变送器的输出信号。同时经部分转换成与进行比较的反馈电压信号，反馈到放大器的输入端。直流~交流交换器+UZ—UF量程单元放大元件反馈回路功率放大电压放大整流滤波输入回路隔离输出图1-2温度变送器结构方框图温度变送器特点：1、采用环氧树脂密封结构，因此抗震、耐温，适合在恶劣现场环境中安装使用。2、现场安装于热电阻、热电偶的接线盒内，直接输出4～20mA，这样既省去较贵的补偿导线费用，提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。3、精度高、功耗低、使用环境温度范围宽、工作稳定可靠。4、量程可调，并具有线性化较正功能，热电偶温度变送器具有冷端自动补偿功能。1．4温度变送器四线制22 内蒙古工业大学本科课程设计温度变送器四线制特点如下：1.在热电偶和热电阻温度变送器中，采用了线性化电路，实现了变送器输出信号与温度的线性关系，便于指示和记录。2.变送器输入、输出之间具有隔离变压器，并且采取了本安防爆措施，故具有良好的的抗干扰性能，且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号。根据课设要求电路的主要性能指标：基本误差为±0.5%；环境温度每变化25℃附加误差不超过±0.5%；负载电阻在0~100欧姆范围内变化时，附加误差不超过±0.5%。故采用四线制温度变送器。22 内蒙古工业大学本科课程设计第二章放大工作单元温度变送器的放大单元由集成运算放大器、功率放大器、直流-交流-直流变换器、隔离输出等部分组成。放大单元的作用是将量程单元输出的毫伏信号进行电压和功率放大，输出统一的直流电流信号和直流电压信号。同时，输出电流又经反馈部分转换成反馈电压信号，送至量程单元。2.1电压放大电路电压放大电路由集成运算放大器构成。由于来自量程单元的输入信号很小，且放大电路采用直接耦合方式，故对温度漂移必须加以限制。为此应对集成运算放大器的温漂系数提出一定要求。这里，温漂系数主要是指随温度而变化的数值（）。若设变送器使用环境温度范围为，失调电压温漂系数为，则在温度变化时失调电压的变化量为（２-1）现设为由于的变化给仪表带来了附加误差，即，则由于式（1-1）可知（２-2）式(1-2)表示了集成运算放大器的温漂系数和仪表相对误差的关系。温漂系数越大，引起的相对误差就越大。当温度变送器的最小量程为3mV，温升为30℃，要求时，按式(1-2)就要求（）为了满足这一要求，温度变送器中运算放大器所用的线性集成电路需采用低漂移型的高增益运算放大器。2.2功率放大电路功率放大电路的作用是把运算放大器输出的电压信号转换成具有一定负载能力的电流信号，同时，通过隔离变压器实现隔离输出。22 内蒙古工业大学本科课程设计功率放大器线路如图２-1所示，由复合管、及其射极电阻、隔离变压器To等元件组成。它由直流—交流—直流变换器输出的交流方波电压供电，因而不仅具有放大作用，而且具有调制作用，以便通过隔离变压器传递信号。图２-1功率放大器原理图采用了复合管是为了提高输入阻抗，减小线形集成电路功耗。引入射极电阻一方面为了稳定功率放大器的工作状态另一方面为了从两端取出反馈电压。在方波电压的前半个周期，二极管导通，截止，由输入信号产生电流；在后半个周期内，二极管导通，截止，从而产生电流由于和轮流通过隔离变压器To的两个绕组，于是在铁芯中产生交变磁通，这个交变磁通使To的副边产生交变电流，从而实现了隔离输出。采用复合管是为了提高强入阻抗，减少线性集成电路的功耗。引入射极电阻，一方面是为了稳定功率放大器的工作状态，另一方面为了从两端取出反馈电压。由于只阻值为50，故当流过的电流为4~20mA(其值与输出电流相等)时，反馈电压信号为0.2~1V，此电压送至量程单元，经过线性电阻网络或经过线性化环节反馈送到运算放大器的输入端，以实现整机负反馈。2.3隔离输出为了避免输出与输入之间有直接电的联系，在功率放大器与输出回路之间，采用隔离变压器来传递信号。隔离变压器实际上是电流互感器，其变流比为1：1，故输出电流等于功放电路复合管的集电极电流。隔离输出电路如图２-2所示。副边电流经过桥式整流和由、22 内蒙古工业大学本科课程设计组成的阻容滤波器滤波，得到4-20mA的直流输出电流，在阻值为250Ώ的电阻上的压降Uo(1~5V)作为变送器输出电压信号。稳压管的作用在于当电流输出回路断线时，输出电流可以通过而流向，从而保证电压输出信号不受影响。二极管、的作用是当输出端6处出现异常正电压时，二极管短路，将熔断丝烧断，从而对电路起保护作用。图２-2隔离输出电路图2.4直流-交流-直流转换器DC／AC／DC变换器用来对仪表进行隔离式供电。该变换器在DDZ-III型仪表中是一种通用部件，除了温度变送器外，安全栅也要用它。它先把电源供给的24V直流电压转换成一定频率(4-5kHz左右)的交流方波电压，再经过整流、滤波和稳压，提供直流电压。在温度变送器中，它既为功率放大器提供方波电源，又为集成运算放大器和量程单元提供直流电源。2.41工作原理直流-交流变换器(DC／AC)是DC／AC／DC变换器的核心郡分。DC／AC变换器实质上是一个磁耦合对称推挽式多谐振荡器。该变换器线路如图2-34所示。图1-3中、和为基极偏流电阻,太大会影响启振，太小则会使基极损耗增加。和为发射极电流负反馈电阻，用以稳定晶体管、的工作点，二极管是用来防止电源极性接反而损坏变换器；~作为振荡电流的通路，并起保护三极管、的作用。电源接通以后，电源电压量通过为两个晶体管和提供基极偏流，从而使它们的集电极电流都具有增加的趋势。由于两个晶体管的变量不可能完全相同，现假定晶体管的集电极电流增加得快，则磁通22 内蒙古工业大学本科课程设计向正方向增加。根据电磁感应原理，在两个基极绕组和()上分别产生感应电势和，其方向如图1-3所示。由于同名端的正确安排，感应电势的方向遵循正反馈的关系，将使晶体管截止，而则使的基极回路产生，这使增加，的增加又使更大。这样，瞬间的正反馈作用使立即到达最大值，从而使立即进入饱和状态。处于饱和状态时，其管压降极小，在此瞬时，可认为电源电压等于集电极绕组()上的感应电势，于是可从下式得知基极绕组的感应电势的大小。=(２-3)因为感应电势的大小与磁通的变化率成正比，即(２-4)而≈近似为一常数。所以，铁芯中的磁通将随时间线性增加，在铁芯磁化曲线的线性范围内，励磁电流亦随时间线性增加。这时，由于发射极电位的不断增加，基极电流将要下降，可从的基极回路列出以下关系式。（２-5）由此可见，在集电极电流(近似等于)随时间线性增加的同时，基极电流将随时间线性下降，直至两者符合晶体管电流放大的基本规律为止。这时的工作状况由饱和区退到放大区，集电极电流达最大值，与此同时磁通也到达最大值，而不再增加。由于，基极绕组感应电势立即等于零，立即由变为零。根据电磁感应原理，感应电势立即转变方向。在反向的作用下，立即截止，而反向的使立即饱和导通，这是另一方向的正反馈过程。随后开始向负方向增加，磁通继续下降，基极电流的绝对值逐渐减小，直至使自饱和区退到放大区。此时集电极电流达负向最大，磁通为。按照同样的道理，使截止，又重新导通，如此周而复始，形成自激振荡。由于两个集电极绕组和。匝数相等，副边两个绕组和匝数也相等，因而根据电磁感应原理，副边两个绕组的感应电势大小相等，相位相反(以12点为参考点)，于是在纯阻性负载情况下，罐形磁芯的副边就输出交流方波电压。22 内蒙古工业大学本科课程设计2.42振荡频率对于理想的变换器，当晶体管集电极电流到达最大值时，罐形磁芯接近饱和，即在时间内磁通由增加到。因此，根据磁感应的公式（2-6）可求得振荡周期。（2-6）式中，为对应绕组中的感应电势，其绝对值为：从电磁感应公式可求得（2-7）（2-7）式中，，为对应的磁感应强度，单位为特斯拉(T)；S为磁芯截面积，单位为。从上式可以看出，频率与电源电压的幅值成正比关系。图1-3直流-交流变换器22 内蒙古工业大学本科课程设计第三章热电偶温度变送器量程单元3.1热电偶温度变送器量程单元图3-1热电偶温度变送器量程单元电路原理图由图3-1可知它是将量程单元和放大单元中的运算放大器IC1联系起来，输入信号Et为热电偶所产生的热电势。输入回路中阻容元件R101、R102、R101，稳压管VZ101、VZ102以及断偶报警电路的作用与直流毫伏变送器大致相仿，所不同的是：在热电偶温度变送器的输入回路中增加了由铜电阻RCu1、RCu2等元件组成的热电偶冷端温度补偿电路，同时把调零电位器RP1移到了反馈回路的之路上，在反馈回路中增加了由运算放大器IC2等构成的线性化电路。3.2热电偶冷端温度补偿电路　　采用两个铜电阻，固定为50W。当热电偶型号不同时，只需调整几个锰铜电阻或金属膜电阻。按叠加原理，可求得IC1同相端的电压UT为（3-1）此式表明当冷端环境温度变化时，Rcu1、Rcu2的阻值也随之变化，使式中第二项发生变化，从而补偿了由于环境温度升降的热电偶热点势的变化，当铜电阻的阻值增加时，补偿电势U将增加得愈来愈快，即U22 内蒙古工业大学本科课程设计随温度而变的特性是呈下凹型的，而热电偶Et-t特性曲线的起始段一般也呈凹型，两者相吻合。因此，这种电路的冷端温度补偿特性要优越于两线制温度变送器的补偿电路。3.3线性化原理及电路分析3.31线性化原理　　热电偶变送器可由下面的方框图表示：热电偶放大部分非线性反馈回路_Uf’ET+U图3-2热电偶温度变送器线性化原理方框图　　由图可知，输入放大器信号ε=,其中U在热电偶冷端温度不变时为常数，而与Et和t的关系也是非线性的，并且同热电偶Et-t的非线性关系相对应，因此Et和的差值ε与t的关系也就呈线性关系了，ε经线性放大器后的输出信号U0也就与t呈线性关系。3.32线性化电路　　线性化电路即非线性运算电路实际上是一个折线电路，它是用折线法来近似表示热电偶的特性曲线的。如图3-3所示图3-3非线性化运算电路特性曲线示例22 内蒙古工业大学本科课程设计图中Uf为反馈回路的输入信号，Ua为非线性运算电路的输出信号，γ1、γ2、γ3、γ4分别代表四段直线的斜率。折线的段数及斜率的大小是由热电偶的特性来确定，一般情况下，用4~6段折线近似表示热电偶的某段特性曲线时，所产生的误差小于0.2%。IC2、R120~R122、R115、R0、Ra组成了运算电路的基本线路线路（见图3-4）图3-4非线性运算电路原理图该线路并决定了第一线段直线斜率γ1。当要求后一段直线斜率大于前一段时，如图3-3中的γ2>γ1,则可在R120上并联一个电阻,如R119,此时负反馈减小,输出Ua减小。并连上去电阻的大小，决定于对新线段斜率的要求，而基准电压的数值和稳压管的击穿电压，则决定了什么时候由一段直线过渡到另一段直线，即决定折线的拐点。22 内蒙古工业大学本科课程设计第四章偏差报警单元４.1偏差报警原理偏差报警单元在控制系统的偏差超出给定范围时，发出报警信号。报警信号由继电器的触点输出，可以用来接通报警灯、报警电铃等回路．也可以间接地驱动执行机构，采取必要的紧急措施。偏差报警单元的原理图如图４-1所示。它接受调节器偏差差动电平移动电路的输出信号，当（报警给定信号）时，电路就发出报警信号。图４-1偏差报警单元原理图4.2偏差报警单元此电路产生偏差报警信号的条件是UT9＞UF9或UT10＞UF10只要两个条件中的一个条件满足，VTI导通，VT2亦导通使继电器K励碰，发出报警信号。假设，备电源内阻为零，电路在报警前有22 内蒙古工业大学本科课程设计，和，代入或得或即在时，电路为报警状态。报警后，和均处在导通状态。解除报警的条件分以下两种情况来讨论。（1）在报警后。由于此时要解除报警必须满足于是解除报警的条件为（4-1）（2）在报警后，由于此时要解赊报警必须满足：于是解除报警的条件为：（4-2）由式（4-1）和式（4-2）可知．在上述两种情况下，解除报警的滞后值分别为和滞后值是根据实际需要特意设置的，否则在报警给定值附近将出现报警动作的振荡现象。解除报警时的滞后一般为1％～2％（满量程）。和的大小取决于和的阻值，为使两者相等，应等于。这两个电阻还具有正反馈作用，其上的电压反馈至运算放大器的同相输入端，可以加速电路的报警动作。电路中的和C是为了提高抗干扰能力而设置的。22 内蒙古工业大学本科课程设计第五章结论热电偶温度变送器是由热电偶温度变送器量程单元和偏差报警单元组成（电路图见附录I），是热电阻温度传感器与变送器的完美结合，在量程范围内输出4－20ma直流信号，与热电偶或热电阻的输入信号成线性或与温度成线性。智能型温度变送器输出4－20ma直流信号同时叠加符合hart标准协议通信；隔离式温度变送器：输入与输出相隔离，隔离电压500v，增加了抗共模干扰能力，更适合与计算机连网使用；温度变送器是现代工业现场、科研院所温度测控的更新换代产品，是集散系统、数字总线系统的必备产品。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。热电偶温度变送器具有结构简单：无任何可动或弹性元件，因此呆靠性极高，维护量极少；安装方便：内装式结构尤其显示出这一特点，无需任何专用工具；调整方便：零位、量程两个电位器可在液位检测有效范围内任意进行零点迁移或量程的改变，两个调整互不影响；用途广泛；适用于高温高压、强腐蚀等介质的液位测量等这些优点。22 内蒙古工业大学本科课程设计附图热电偶温度检测及其偏差报警系统总体设计附图热电阻温度检测及其偏差报警系统总体设计22 内蒙古工业大学本科课程设计参考文献[1]吴勤勤.控制仪表及装置.第三版.北京：化学工业出版社.2007.1[2]郑建国.一种高精度的铂电阻温度测量方案.自动化仪表.1997.18(8)[3]唐明辉.热工自动控制仪表[4]阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社[5]贺庆之著.过程控制仪表及装置.中国轻工业出版社.199422