热电偶温度变送器的基本结构,热电偶温度变送器原理

　　在单元组合式仪表中，热电偶、热电阻等敏感元件输出的信号，需经一定的变换装置，转变为标准信号。如在电动单元组合仪表中应变换为0-lOmA或4-20mA直流电流信号，以便与调节器等单元配合工作。这种信号的变换装置称为变送单元或变送器。

　　在电动温度变送器中，根据所用的敏感元件（热电偶或热电阻）及测量参数（测某点温度或两点间的温差）的不同有几种品种。不过，它们的基本结构是相同的如图1-8所示，核心都是一个直流低电平电压(mV) -电流(mA)变换器，大体上都可分为输入电路、放大电路及反馈电路三部分。下面以DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表的热电倡温度变送器为例，对各部分的工作原理作一具体的介绍。

　　1．输入电路

　　热电偶温度变送器的输入电路主要起热偶冷端温度补偿与零点调整的作用。由于它形式上是一个电桥，常称为输入电桥。

　　由铜丝绕制的电阻Rcu安装在热电偶的冷端接点处，当冷端温度变化时，利用铜丝电阻随温度变化的特性，向热电偶补充一个由冷端温度决定的电势作为补偿。桥路左臂由稳压电源V(约SV)和高电阻Ri(约10kfl)建立的恒值电流I2流过铜电阻Rcu，在Rcu上产生一个电压，此电压与热电势E。串联相加。当冷端温度升高时，热电势Et下降，但由于RCu增值，在RCu两端的电压增加。只要铜电阻的大小选择适当，便可得到满意的补偿。例如对铂铑-铂热电偶，其冷端温度在0-100℃间变化时的平均热电势为6vV/"C，已知铜的电阻温度系数d=0.004/c，故得到全补偿的条件可写为：

　　I2(mA)×Rcu(Ω)x 0.004/℃=6(uV/℃)

　　若I2=0.5mA，则Rcu=3Ω。

　　当然，严格地说，热电势的温度特性是非线性的，而铜电阻的特性却接近线性，两者不可能取得完全的补偿。但实际使用中，由于冷端温度变化范围不大，这样的补偿已经可以满意了。

　　由另一高电阻R2确定的恒值电流，，流过可变电阻R4，在它上面建立的电压与热电势E+及冷端温度补偿电势串联。这不仅可以抵消铜电阻上的起始压降，且可自由地改变桥路输出的零点。调整输出零点的必要性对采用活零点的DDZ-Ⅲ型仪表来说是很容易理解的，因为在DDZ-Ⅲ型仪表中，标准信号是4-20mA，即以满幅输出的20%代表信号的零值。因此在温度变送器中，当热电势为零时，应由输入桥路提供满幅输入电压的20%．建立输出的起点。

　　较大幅度的调整零点，即所谓进行零点迁移，不管对DDZ-Ⅲ还是其他系列的变送器都是需要的。有些生产装置的参数变化范围很窄，例如，某点的温度总在500 -1000℃间变化，因此常希望对500℃以下的温度区域干脆不予指示，而给工作区域以较高的检测灵敏度。此时可通过零点迁移装置，配合灵敏度调节，实现量程压缩。为了说明方便，下面举一个以0-10mA电流为标准信号的变送器作为例子，如图1-10所示。图1-10(a)为零点不迁移的情况。图1-10(b)为通过零点迁移装置，给热电势反向加上一个相当于500℃的附加电势，这样，只有当温度超过500℃时，变送器才有输出；由于灵敏度未变，输入一输出特性只是向右平移，其输出电流0-10mA所对应的温度范围仍为1000℃。图1-lO(c)的情况是在零点迁移500℃以后．又把灵敏度提高一倍，这样变送器不仅反映的起始温度变了，而且量程范围也变成为500-1000℃，在这个温度范围内变送器可得到较高的灵敏度。

　　2．放大电路

　　由于热电偶的电势数值很小，一般只有十几或几十毫伏，因此将它变换为高电平输出必须经过多级放大。考虑到热电势是直流信号，变送器中的放大器必须是高增益和低漂移的直流放大器。其电压增益一般约需104 _105倍，零点漂移必须小于几微伏或几十微伏。变送器的量程愈小，对自身的零点漂移要求愈严格。例如，对一个满量程为3毫伏的温差变送器，如果自身的零点漂移超过10微伏的话，那么仅这一项误差就超过0.306，再考虑其他因素，这样的变送器就很难达到0.5级的精度了。

　　除了对增益和零点漂移的要求以外，温度变送器中的放大器还必须具有较强的抗干扰、特别是抗共模干扰的能力。因为测量元件和传输线上经常会受到各种干扰，例如用热电偶测量电炉温度时，热偶丝可能与电热丝靠得很近；在800℃以上的高温下，耐火砖及热电偶瓷套管的绝缘电阻会降得很低。这样，电热丝上的工频交流电便会向热电偶泄漏，使热电偶上出现几伏或几十伏的对地干扰电压，这种在两根信号线上共同存在的对地干扰电压称为共模干扰或纵向干扰。除了这种干扰形式外，在两根信号线之间更经常地存在电磁感应、静电耦合以及电阻泄漏引起的差模干扰。由于这种干扰袁现为两根信号线之间的电压差，所以也称为线间干扰或横向干扰。

　　关于差模干扰，由于在一般实验室仪器及电子线路的调试中都会碰到，人们对它是比较熟悉和重视的。它常常导致放大器饱和、灵敏度下降、零点偏移甚至使放大器不能正常工作。但在温度变送器中，考虑到热电偶信号的变化很慢，可以从频率上把信号与干扰区别开来，或者在变送器的输入端用滤波器等加以抑制。

　　对控制仪表来说，具有特殊性的是，它常受到幅度很大的共模干扰的作用，这一点往往被人们所忽视。其实共模干扰在一定的条件下很容易转化为差模干扰，同样会影响仪表的正常工作。例如图1-11(a)中，作用在热电偶上的共模干扰Pan经两根传输线送到变送器输入端时，由于线路阻抗Z1、Z2与变送器输入阻抗Z3、Z4的分压作用，将在A、B两点间形成如下的差模干扰电压：

　　由此可知，要使共模干扰不转化为差模干扰，必须使阻抗Z1、Z2、Z3、Z4组成的电桥平衡，即必须满足Z1:Z2=Z3:Z4。这样的条件并不容易实现，因为这些阻抗值都是随使用条件变化的参数，例如线路阻抗Z1、22除随传输线长短变化外，由于包含冷端温度补偿电路和零点迁移电路等，常随使用状况而变化。再考虑到共模干扰的频谱很宽（从直流到极高的高频），上述的桥路平衡条件不可能在所有的频率上完全满足。

　　抑制共模干扰的一个有效办法是把仪表浮空，也就是把变送器内的零线和大地绝缘。采取这种措施后的仪表等效电路如图1-ll(b)所示。图中25表示变送器零线与大地之间的绝缘阻抗。显然，如果Z5→∞，那么共模干扰电压Ecm在阻抗Z3、Z4上的分压都趋于零，两者之间的压差UAB亦必为零，可以有效地抑制共模干扰向差模干扰的转化。图1-12所示的方框图就是按这种思想设计的一种变送器方案。考虑到作为变送器负载的调节器、记录仪等常需要接地，图中变送器用隔离变压器分为互相绝缘的前后两部分，其中输入及放大电路部分与检测元件相连，但对地浮空；另一部分检波输出电路与负载相连，可根据需要接地或不接地。工作时，热电努直流信号先经放大电路放大，然后由变流器变换成交流方波，经输出变压器B。以磁通耦合方式传递给检波输出电路。同样，电源和输出电流反馈也分别通过变压器B。和Bf送给放大电路。这样，只要这些隔离变压器的绝缘电阻足够大，同时使通过变压器的信号调制频率足够高，那么，变压器绕组之间以及绕组对地的分布电容就可以做得比较小（在DDZ-Ⅲ型温度变送器中电源和信号调制频率都在10 - 20kHz左右），因而对直流或50Hz干扰来说，可以认为浮空是相当彻底的，能有效地抑制这一频段的共模干扰向差模干扰的转化。

　　3．反馈电路

　　为了克服放大电路的非线性及增益、负载变化等引起的误差，温度变送器都采用闭环方式构成。这时只要保持输入及反馈环节的参数稳定，在放大电路增益足够高时，其闭环传递函数可保证十分稳定。图1-12中，为了抑制输出变压器B。的磁路非线性及输出负载变化引起的误差，反馈电压取自输出变压器B。的副边，并用电流互感器Bf直接反映负载电流的大小作为反馈信号。

　　考虑到大多数热电偶的特性是非线性的，例如，铂铑一铂热电偶在0 -1000℃间电势与温度关系的非线性约为6%，如果变送器的输入电路和反馈电路部是线性的话，变送器的输出将随输入的毫伏信号作线性变化，它与温度的关系却是非线性的。目前工业上使用的大多数温度变送器就是这样的。但在DDZ-Ⅲ型仪表的温度变送器中，为了使输出能直接与被测温度成线性关系，以便指示及控制，特别是便于和计算机配合，在变送器的输入或反馈电路中加入线性化电路，对测量元件的非线性给予修正。对热电偶温度变送器来说，因为输入热电势太小，不宜于在输入电路中修正，都在反馈电路中采取措施，使用非线性反馈电路，如图1-13所示。当温度较高，热电偶灵敏度偏高的区域，使负反馈作用强一些，这样以反馈电路的非线性补偿热电偶的非线性，可以获得输出电流j。与温度T(℃)的线性关系。当然这种具有线性化机构的变送器在进行量程变换时，其反馈的非线性特性必须作相应的调整。