温度变送器的选择及注意事项

工业中广泛使用的温度变送器是一种仪表装置，例如DDZ-Ⅲ型仪表，它可与温度传感器（如热电偶和热电阻）连接，在测量时将热电动势和电阻值转化为直流4～20mA标准信号进行远传，完成从温度量到传输信号量的转换。如果其他的传感器或敏感元件能提供电动势信号或电阻信号时，也可以用温度变送器进行从测量值到传输信号的转换，这时又可称为毫伏变送器，因为电阻信号也是通过电桥转换为电动势信号再经过转换的。但要注意的是，有的温度变送器自己带有热电偶的冷端补偿功能和线性化的功能，这时就不能作为一般毫伏变送器使用了。下面介绍两种常用的温度变送器。

1.仪表系列的温度变送器单元

这种温度变送器属于仪表系列中变送单元中的一种型号。它采用2线制、4～20mA信号输出，并具有以下特点：

1）直流24V集中供电，变送器内无电源电路。

2）采用集成电路运算放大器件。

3）除直流毫伏输入的品种之外，热电偶输入和热电阻输入的品种都有线性化功能。

4）兼有安全栅作用，可以用于本安防爆系统。

直流毫伏、热电偶、热电阻这三种输入信号的“量程单元”（量程单元是由输入电路和反馈电路组成的线路板）各不相同，但其后所接的放大单元相同。

（1）直流毫伏量程单元

这部分的电路如图3-22。图中电路包括输入、调零、反馈三个作用，分别用①、②、③表示，为便于分析原理，将放大单元中的集成运放A₂也画在同一图中。

图3-22 直流毫伏变送器量程单元

输入直流毫伏信号可以是任何传感器或敏感元件所提供，图中用U_i表示。电阻R₁、R₂及稳压管VS₁、VS₂起限流限压作用，使进入生产现场的能量被限制在安全定额以下。同时R₁、R₂和C₁还起滤波作用，减少交流干扰。

图中U_Z是由集成稳压电路WY723提供的直流电压，为了简明起见，用电池符号代替。

R₃～R₇接成桥式电路，用U_Z作为电源，由调W_f零，滑点上所取电压为U′_Z。反馈电路由R_f1、R_f2及电位器W_f组成，由放大单元的输出端经过隔离提供电压U_f，用W_f调量程。其滑点上的电压为U′_f。

根据图3-22可知，A₂的同相端电压U_T为

式中，W′₁为电位器W₁滑点以上部分的等效电阻；符号“‖”代表其左右两电阻的并联阻值。

A₂的反相端电压U_F为

式中，W′_f是电位器W_f滑点左边的电阻；W″_f是滑点右边的电阻。

设计中，各阻值有下列关系：

R₅？R₃+（W₁‖R₄）

R₅=R₇

R₇？R₆

R₁？R₂+W_f

考虑到这些关系，式（3-20）及式（3-21）可简化为

令：

则对于理想运算放大器A₂，应有U_T=U_F。按上述式（3-22）及式（3-23）可得

U_f=β[U_i+（α-γ）U_Z] （3-24）

放大单元设计中，已保证输出电压U₀和反馈电压U_f之间有确定关系，即U₀=5U_f。因此，变送器的输出电压U₀和输入电压U_i之间就有下列关系：

U₀=5β[U_i+（α-γ）U_Z] （3-25）

由此可见，当U_i=0时输出电压U₀并不为零，按照标准信号的规定应该是1V，这可以借助于W₁、W_f的调整而做到。但同时也可看出，W₁的调整会影响量程，W_f的调整会影响零点。所以必须反复调整两者，才能达到准确度要求。

（2）热电动势量程单元

与直流毫伏不同，热电动势用的量程单元必须有冷端补偿功能及线性化功能。其电路如图3-23所示。

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图3-23 热电偶温度变送器量程单

冷端补偿作用由铜电阻R_Cu担任，铜电阻装在端子排上，与冷端温度一致。为了在调零时不影响冷端补偿效果，将调零电位器W₁移到桥式电路右侧。量程调整依然由W_f进行。

线性化作用由折线特性的负反馈电路实现。图3-23的反馈特性分四段，各段的斜率不等，分别为α₁，α₂，α₃，α₄，近似为曲线。利用曲线规律的负反馈，可使闭环放大倍数随被测热电动势的大小呈曲线变化，这就能把热电偶的非线性基本上抵消掉，输出电流或电压便可正比于温度了。折线的段数为4～6时，残余非线性误差可小至±0.2%。

负反馈由运放A₁及电阻R_f7～R_f17（为了简明起见图中标注成代号7～17）组成。首先假定三个稳压管VS₃、VS₄、VS₅都截止，可视为开路，则A₁和R_f18、R_f7、R_f8构成比例运算电路，其输出经R_f19送到U_a处，这是第一段斜率为α₁的直线。

如希望第二段直线的斜率α₂＞α₁，必须减弱A₁的负反馈信号，为此在R_f7、R_f8旁并联一个R_f9即可。只要在折线进入第二段时将稳压管VS₃导通，就能使R_f9并联上去。为了使VS₃适时导通，用R_f10及R_f11分压器设置了一个基准电压，分压器的电源电压由稳压管VS₇决定，只要设计分压比便可保证VS₃在第二段直线开始时导通。

如第三段直线的斜率α₃＜α₂，为了使斜率减小，可将VS₅导通，于是R_f15和R_f19形成分压器，使U_a的增长变得平缓一些。VS₅的导通是由R_f16、R_f17决定的基准电压来制约的。

第四段直线的斜率倘若是增大的，即α₄＞α₃，则方法和第二段时一样，使VS₄导通即可。

总之，各段直线的起始点决定于所设置的基准电压，各段直线的斜率则决定于A₁的负反馈电阻总值。

顺便指出，稳压管VS₃、VS₄、VS₅并不一定按其下角数字依次导通，上述例子就是VS₃、VS₄、VS₅的顺序，这取决于各段斜率的变化。基准电压值和各电阻值都是按线性化的要求而设计的。

（3）热电阻量程单元

热电阻用的量程单元无需冷端补偿电阻，但却要有三线制接法。它虽然也要线性化，但铂电阻的特性曲线在温度为横坐标的图上是单调上凸曲线，即随着温度的升高，阻值增加量越来越小。对于变送器的要求，则是随着R_t的增大，输出信号的增长应该越来越显著。也就是说，以R_t为横坐标，以U₀或I₀为纵坐标的图上应是上凹曲线。

既然是单调上凹曲线，线性化的方法就可以简单一些，如图3-24所示。

图3-24 热电阻温度变送器量程单元

要使特性曲线向上凸？凹，必须用正反馈，图中R_f4将U_f送到热电阻R_t上。R_f4和R_t构成分压器，随着温度升高，R_t加大，分压的输出也就越来越大，此信号送到A₂的同相端，实现正反馈。实践证明，用这种方法对铂电阻Pt₁₀₀进行线性化后，残余非线性误差小于0.1%。至于铜电阻由于本身有较好的直线性，用不着线性化。

图中调零及调量程办法同前，不需赘述。稳压管VS₁～VS₄也是限压用的，是安全防爆的要求。

（4）放大单元

以上三种输入的放大单元都一样，如图3-25所示。

图3-25 温度变送器的放大单元

为防止共模高电压沿信号导线进入易燃易爆现场，温度变送器必须有隔离共模电压的措施，最妥善的隔离办法是利用变压器把输入、输出、电源三者隔开，使有用信号和能量（是差模形式）通过一次侧、二次侧间的磁交链传递，有害的共模信号则被阻挡在一边。这是最有效的方法，但是直流信号无法通过变压器传递，因此必须调制成交流，经过变压器隔离以后再解调成直流。

图3-25中的直流-交流-直流变换器就是为上述目的而设的。晶体管VT₁、VT₂及变压器T_r1构成多谐振荡器，将电源直流24V变为方波交流；T_r1的二次侧经整流、滤波、稳压后由端子8、9送往图3-23的A₁；由端子5、10送往各种量程单元里的集成稳压器，以便产生桥式电路的电源电压U_z。此外，还供给A₂和功率放大管VT_a1、VT_a2的电源。

功率放大复合管VT_a1、VT_a2接在变压器T_r2一次侧和T_r1二次侧的中心抽头电路里，并有二极管VD_s9、VD_s10的整流作用，所以当VT_a1、VT_a2集电极电流增大时，T_r2二次侧交流电流也将增大，体现了调制作用。这个与A₂输出成正比的交流信号经过变压器T_r3传递到二次侧，再经VD_f1～VD_f4全波整流送到端子5和11，这个直流电压就是各个量程单元里的反馈电压U_f。

T_r2二次侧的交流信号经过VD_o1～VD_o4全波整流后，输出直流4～20mA，而且在电阻R_o2两端还可输出直流1～5V。

上述变送器测直流毫伏时，量程为3～100mV，零点迁移量-50～50mV；在与热电偶相配测温时，量程为3～60mV；在与铂热电阻相配测温时，测量范围是-100～500℃。准确度等级都是0.5级。

2.一体化温度变送器

近几年来，一种小型固态化温度变送器出现于仪表市场，它与热电偶或热电阻安装在一起，自带冷端补偿功能，不需要补偿导线，由直流24V供电，用两线制方式连接，故又称一体化温度变送器。它属于DDZ-S系列仪表，输出为4～20mA标准信号。

这种温度变送器分为配热电偶的SBWR型及配热电阻的SBWZ型两类。SBWR型又分为不同的分度号，例如有E，K，S，B，T等。SBWZ型又分为Cu₅₀、Cu₁₀₀、Pt₁₀₀等。

以上两类按输出信号有无线性化又分为与被测温度呈线性关系的及与输入电信号（热电动势或电阻值）呈线性关系的两种。

一体化温度变送器的基本误差都不超过量程的±0.5%，环境温度影响约为每1℃变动不超过0.05%，可安装在-25～+80℃的环境中。

电源电压额定值虽为24V，但允许用于12～35V的电源电压下，不过负载电阻应适当改变。额定负载电阻为250Ω，如电源保持额定电压，则负载电阻可在0～600Ω间选用。

大多数一体化温度变送器是没有输入输出隔离措施的，但少数品种也带有隔离。

一体化温度变送器的主要特点如下：

1）节省了热电偶补偿导线或延长线的投资，只需两根普通导线连接。

2）由于其连接导线中为较强的信号（4～20mA），比传递微弱的热电动势具有明显的抗干扰能力。

3）体积小巧紧凑，通常为直径几十毫米的短柱形，安装在热电偶或热电阻套管接线端子盒中，不必占用额外空间。

4）不需调整维护，因为全部采用硅橡胶或树脂密封结构，适应生产现场环境，其耐环境性较好，但损坏后只能整体更换。