3.3 温度变送器

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— 控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系

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3.3 温度变送器作用：

* 与测温元件配合使用，将温度或温差信号转换成为标准的统一信号；

在结构上，有一体化结构和分体式结构之分　

分类：模拟式温度变送器

智能式温度变送器

* 作为直流毫伏变送器使用，用以将其它能够转换成直流毫伏信号 EI 的工艺参数转换成为标准的统一信号。

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在与测温元件配合使用，温度变送器的输出有两种形式：

两种形式的区别仅在于变送器中有否非线性补偿电路

(2) 输出与变送器的输入信号（ Et 或 Rt ）之间呈线性关系，但输出与温度之间呈非线性关系

(1) 输出与温度之间呈线性关系，但输出与变送器的输入信号（ Et 或 Rt ）之间呈非线性关系

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3.3.1. 典型模拟式温度变送器

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模拟式温度变送器实例 ——— DDZ-ІІІ 型温度变送器

　　 DDZ-ІІІ 型温度变送器有带非线性补偿电路与不带非线性补偿电路的热电偶温度变送器和热电阻温度变送器以及直流毫伏变送器等多个品种，各品种的原理和结构大致相仿。　现介绍其中三种：

直流毫伏变送器带非线性补偿电路的热电偶温度变送器热电阻温度变送器。

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(1) 直流毫伏变送器—— 把直流毫伏信号 Ei 转换成 4 ～ 20mADC 电流信号

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直流毫伏变送器构成方框图

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直流毫伏变送器线路原理图

限压限流放大

隔离供电

多谐振荡器

直流毫伏变送器隔离输出

( 直流／交流变换器 )

反馈

零点调整零点迁移

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直流毫伏变送器线路原理图

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①放大单元放大单元包括放大器和直流/交流/

直流变换器两部分

直流 / 交流 / 直流变换器 :直流 /交流变换器和整流、滤波、稳压电路

放大器 : 电压放大器、功率放大器和隔离输出电路

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a. 电压放大器失调电压的温漂系数要求 :

tt

UU OS

OS

i

OS

U

U

iOS Utt

U

/ t

U

t

U iOS

　因此，应采用低漂移型高增益运算放大器

即

设 η 为由于 ΔUOS 的变化给变送器带来的附加误差

温度变化 Δt 时失调电压的变化量 ΔUOS 为

C/3.0 V

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b. 功率放大器作用：放大和调制

二极管 VT6 导通， VT5 截止，从而产生了电流 ic2

二极管 VT5 导通， VT6 截止，由输入信号产生电流 ic1

正半周期时 :

负半周期时 :＋－

＋－

U01

IC

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作用：避免输出和输入之间有直接的联系 c. 隔离输出电路

IC

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作用：对仪表进行隔离式供电 d. 直流 /交流 /直流变换器

多谐振荡器

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②量程单元输入回路：限流和限压

零点调整电路：实现零点调整和零点迁移

反馈回路：保证线性关系，恒流性能 , 量程调整

输入信号断路报警电路

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Δ → Y 变换

分压公式

等效电源定理

分压公式叠加定理

③变送器的静特性 I0

UT =UF

UT =Ei+UZ′

UF =UZ 〞 +Uf 〞

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zW

abiT U

RRRR

RREU

1051041103

103

//

zW

WF U

RR

R

RRRRRRRR

RRRRRU

107106

106

41161151142111107106

411611511422

)//(//

)//(

fW

W URR

R

RRRRRRRR

RRRR

116115

115

41161151142111107106

21111107106

)//(//

//

iE

105

103

R

RRab ZU

105

103

R

RRab

116115

115

114111

21111106

RR

R

RR

RRR W

oIR4107

106

R

RzU

/1116115

115

114111

21111106

RR

R

RR

RRR W

107

106

R

R

化简

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a. 为直流毫伏变送器的调零信号。当时，得到正向调零信号，即可实现负向迁移；而当时，得到负向调零点迁移量；

zUR

)(4

4R

讨论：

ZiT UEU

zoF UIR

U

4

TF UU

Zi UR

ER

I )(44

0

b. 为输出与输入之间的比例系数。改变 R114 可以大幅

度地改变送器的量程。而调整电位器 W2 ，可以在小范围内改变比例系数；c.零点和满度必须反复调整。

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① 在输入回路增加了由铜补偿电阻 RCu1 、 RCu2

等元件组成的热电偶冷端补偿电路。同时，在电路安排上把零电位器 W1 和电阻 R104 移到了反馈回路的支路上。

② 在反馈回路中增加了由运算放大器 A2 等构成的线性化电路。

线路上的两点修改

(2) 热电偶温度变送器　　与各种热电偶配合使用，将温度信号变换为成比例的 4 ～ 20mADC 电流信号和 1 ～ 5VDC 电压信号。

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热电偶温度变送器

冷端补偿冷端补偿电路电路

线性化补偿电路线性化补偿电路

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上页下页目录①②

21103

21

CuCu

CuCu

RRR

RR

21


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补偿原因：热电偶产生的热电势 Et,与热电偶的冷端温度有关1) 热电偶冷端补偿电路

zCuCu

CuCu

CuCu

t URRRRR

RRR

RRR

E1001031105

21103

21100

2//)(

ZCuCu

CuCut U

RRR

RRR

RE )(

1

21103

21100

105

ztT UEU

补偿原理分析：

Z

CuCuCuCu

t U

RRRRR

RR

E )11

1(

1

1221

103100

105

t↑ tE

zU|||| tz EU

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RCu1 、 RCu2 为铜线绕电阻，其阻值在 0℃ 时为 50Ω 。 R105 、 R103 和 R 100 为锰铜线绕电阻或精密度金属膜电阻， R105=7.5kΩ ， R103 和 R 100 的阻值决定于所选用的热电偶型号，一般按 0℃ 时冷端补偿电势为 25mV 和当温度变化 ℃时两个条件进行计算。

50t

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　　测温元件热电偶和被测温度之间存在着非线性关系，线性化电路处于反馈回路中，因而它的特性应与所采用的热电偶的特性相同。是一个折线电路，它是用折线来近似热电偶的非线性特性。

2) 线性化电路

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线性化电路原理

11

2 0

(1 )a a

f a

U RRr

U R R R

13

2 0

//(1 )

// //a a

f a

U R RRr

U R R R R R

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实际线性化电路

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应用 Δ→Y 变换和同相端输入运放电路的输出输入关系式 , 可以求得

fb U

RRR

RRRRR

RRR

U

122121120

122120

122121120

121120115

1

boa

aa U

RR

RU

a

f

a

RR

RRR

RR

RR

U

U

0

120

122121

122

115

122

121

1

1

11

全部不导通全部不导通

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RR119119 支路导通支路导通

R’120

R11

9

＋

－＋Ua

R12

1R

122

R12

0

RO

R115

UfU02

UC

Ra＞

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R’a

R11

6

R11

9

＋

－＋Ua

R12

1R

122

R12

0

RO

R115

UfU02

UC

Ra＞

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全部不导通全部不导通



1r 2r 3r

Io

Et

115 121 122 121

122 120 1221

(1 ) 1

1 o

a

R R R RR R R

rR

R

115 121 122 121

122 120 119 1222

(1 ) 1/ /

1 o

a

R R R RR R R R

rR

R

115 121 122 121

122 120 119 1223

116

(1 ) 1/ /

1/ /

o

a

R R R RR R R R

rR

R R

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　 ① 输入回路增加了由 A2、 R16～ R19等元

件构成的线性化电路

② 增加了由 R23、 R24等元件构成的热电阻

导线电阻补偿电路

线路上的两点修改

同时零点调整电路有所改变

3) 热电阻温度变送器与各种热电阻配合使用，可以将温度信号变换为成比例的 4 ～ 20mADC 电流信号和 1 ～ 5VDC 电压信号

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1) 线性化电路

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实践表明，当选取 g=4×10-4Ω-1 时，在 0 ～ 500℃测温度范围内，铂电阻 Rt 两端的电压信号 Ut 与被测温度 t 之间的非线性误差最小。

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2) 热电阻导线电阻补偿电路

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引线电阻的克服

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3.3.2. 一体化温度变送器

所谓一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。

测量元件变送器模块t Et Rt I0

优点：体积小、重量轻、现场安装方便，对于热电偶变送器，不必采用补偿导线，节省安装费用。因而在工业生产中得到广泛应用。

由于一体化温度变送器直接安装在现场，因此变送器一般采用环氧树脂全固化封装。但由于内部的集成电路一般情况下工作温度在– 20 ～ +80℃范围内，因此在使用中应特别注意变送器模块所处的环境温度。

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AD693 AD693 一体化温度变送器品种较多，其变送器模块大多数以一片专用变送器芯片为主， AD693就是一种常用的芯片

输入范围： 0 ～ 100mV ，可调（芯片内部变换为 0 ～ 60mV）输出范围： 4 ～ 20mA 、 0 ～ 20mA 或 12±8mA 等多种直流电流输出信号

0 ～ 100mV0~60mV

0~16mA

芯片本身没有非线性补偿功能

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AD693AD693 构成的热电偶温度变送器构成的热电偶温度变送器

经过设计也可以实现非线性补偿

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输入电路输入电路

量程调整量程调整由于 V/I 变换器的转换系数是定值，调整信号放大倍数，可以调整不同的输入信号范围。不同的输入信号范围， AD693 引脚 14 、 15 、 16 所接电阻的数值和接法是不同的。参考计算公式为

0 ～ 30mV 的输入信号，要求在引脚14 、 15外接一个电阻 R14-15

30 ～ 60mV 的输入信号，要求在引脚 15 、 16外接一个电阻 R15-16

刚好 30mV ，两边开路，放大倍数为2

Ui

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变送器的静特性变送器的静特性

从上式可以看出：1) 变送器的输出电流 I0 与热电偶的热电势 Et 成正比关系。

2) 合理选择 RCu 的数值可使 RCu 随温度变化而引起的 I1RCu 变化量的绝对值近似等于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势 Et 的变化值，两者互相抵消。

3) 改变 RW1 以实现变送器的零点调整和零点迁移

4) 改变转换系数 K （主要指 K1 ），可以改变仪表的量程。

5) 零点调整和量程调整相互有影响

另一种常用的热电偶冷端温度补偿电路另一种常用的热电偶冷端温度补偿电路

])[( 10 wCuCut RRRKIKE

)()( 10 wCuCut RIRKRIEK

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AD693AD693 构成的热电阻温度变送器构成的热电阻温度变送器

Ui

BDi UU 1 2 1( ) ( )t WI R r I R r )( 1011 wtt RRIRI

另一种常用的热另一种常用的热

电阻输入电路电阻输入电路

42


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3.3.3. 智能式温度变送器

特点：量程范围宽、精度高、环境温度和振动影响小、抗干扰能力强、重量轻以及安装维护方便

TT302 温度变送器 • 一种符合 FF 通信协议的现场总线智能仪表 • 可以与各种热电阻（ Cu10 、 Ni120 、 Pt50 、 Pt100 、 Pt500）或热电偶（ B 、 E 、 J 、 K 、 N 、 R 、 S 、 T 、 L 、 U）配合使用；也可以使用其它具有电阻或毫伏 (mV) 输出的传感器配合使用

• 具有控制功能……

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TT302 温度变送器的硬件构成

热电阻的引线电阻如何克服？热电阻的引线电阻如何克服？

热电偶的冷端温度如何补偿？热电偶的冷端温度如何补偿？

非线性如何补偿？非线性如何补偿？

3.3 温度变送器

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