二線制溫度變送器分別與熱電偶和熱電阻相配合，可以將溫度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成4~20mA直流標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。
二線制溫度變送器應(yīng)具有以下主要特點(diǎn)：
(1)二根線完成電源的輸入及4~20mA直流電流輸出, 即二根線既是電源線也是4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出線。
�。�2）由于二線制一體化變送器安裝在傳感器接線盒中, 所以必須有良好的可靠性、穩(wěn)定性及較寬溫度工作范圍(0~85°C) 和較小的溫漂，同時(shí)要求體積盡可能小。
(3)在熱電偶和熱電阻溫度變送器中采用了線性化電路，從而使變送器的4~20mA輸出信號(hào)和被測(cè)溫度呈線性關(guān)系。
(4)在熱電偶溫度變送器中，要進(jìn)行冷端補(bǔ)償，冷補(bǔ)范圍0~100°C。
變送器在線路結(jié)構(gòu)上分為量程單元和放大單元兩個(gè)部分，其中放大單元是通用的，而量程單元，則隨品種、測(cè)量范圍的不同而不同。
熱電阻二線制變送器的設(shè)計(jì)
1、信號(hào)采集電路
熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性測(cè)量溫度, 常用的有鉑電阻Pt100、Pt10銅電阻Cu50、Cu100等。 其阻值與溫度關(guān)系可通過分度號(hào)表查詢。
2、一級(jí)放大電路和線性化調(diào)整電路
該電路功能之一是把采集到的微弱信號(hào)放大,在本級(jí)電路中采取了差動(dòng)放大。同時(shí)，與該放大電路連接在一起的還有一個(gè)正反饋非線性調(diào)整電路，它的主要功能是對(duì)熱電阻與溫度電阻間的非線性進(jìn)行修正,保證放大器的輸出電壓被測(cè)溫度成線性關(guān)系。
R7、R8、R9以及LM124構(gòu)成了放大電路。對(duì)于該局部電路，輸入信號(hào)來自采集到的信號(hào)V和V￠，輸入信號(hào)分別各自經(jīng)過R7、R8進(jìn)入LM124的組運(yùn)算放大器, 得到輸出電壓V1 （在這里沒考慮非線性調(diào)整電路
此外，在該電路中還有一個(gè)非常重要的部分，那就是線性化調(diào)節(jié)電路，即本電路中的R6。 對(duì)于線性化調(diào)節(jié)的過程以及原理，我們可以用圖3加以解釋。
則實(shí)際輸出：
由于熱電阻線性較好, 經(jīng)計(jì)算調(diào)校本電路中R6=8.2kΩ，熱電阻非線性修正可以達(dá)到千分之二的精度。
3、調(diào)零、電源平衡及二級(jí)放大電路
對(duì)零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)的電路，實(shí)質(zhì)上就是調(diào)節(jié)本級(jí)放大電壓輸出的大小, 保證在信號(hào)源零度（R5=100Ω, 級(jí)放大器輸出為零）時(shí)整個(gè)回路電流I1=4mA。它由R10、R16、R13、W1組成，實(shí)質(zhì)上就是在本級(jí)電壓輸入正端疊加一個(gè)調(diào)零電壓，使不足4mA的靜態(tài)工作電流達(dá)到4mA。此外，在該電路中，還有一個(gè)部分，那就是減小電源波動(dòng)對(duì)電路輸出的影響，即電路中的R15,它可以抑制電源波動(dòng)帶來的影響。當(dāng)外界電壓源發(fā)生較大的波動(dòng)時(shí)(或負(fù)載電阻RL變化)，電路靜態(tài)工作電流會(huì)發(fā)生微小變化,我們可以利用R15來穩(wěn)定輸出電流。其工作原理一方面是電源增大帶來靜態(tài)電流增加, 另一方面電源的增大通過R15加到本級(jí)放大器的負(fù)端起到減法作用, 使本級(jí)輸出電壓下降, 選擇合適的R15阻值, 可以保證電源在允許范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)輸出電流的穩(wěn)定。R17決定二級(jí)放大倍數(shù)。
4、調(diào)滿電路和V/I轉(zhuǎn)換電路
調(diào)滿電路是由R18、R20、W2組成的對(duì)上一級(jí)電壓輸出V2分壓構(gòu)成。通過對(duì)W2的調(diào)節(jié)，使得后輸出（信號(hào)源高輸入時(shí)整個(gè)電路的輸出）達(dá)到要求的輸出結(jié)果V(W2中間抽頭電壓)。R21、R22、R23、R24、R25及運(yùn)放組成一個(gè)V/I轉(zhuǎn)換電路, 由于R22、R23、R24均為200kΩ的大電阻，R25為100Ω的小電阻，整個(gè)電路電流輸出I2≈V/R25。R26是一個(gè)負(fù)載電阻。
熱電偶二線制變送器電路設(shè)計(jì)
熱電偶二線制變送器電路和熱電阻二線制變送器主要區(qū)別在于信號(hào)采集和非線性修正部分, 下面我們就這兩部分別作介紹。
1、信號(hào)采集和一級(jí)放大電路
熱電偶的輸出是隨被測(cè)溫度變化的mV信號(hào)。在電路中，TL431的作用是輸出穩(wěn)定的2.5V。D0是一個(gè)保護(hù)二極管，它可以保護(hù)電源輸入正負(fù)反相對(duì)電路的危害。通過R3和TL431分壓，使TL431兩端的工作電壓保持在2.5V，并為后面的冷端補(bǔ)償，為修正電路和調(diào)零電路提供直流電源。在此電路中，銅線繞制的熱電阻Cu50起冷端補(bǔ)償作用。當(dāng)熱電偶的熱電勢(shì)E12隨冷端溫度的變化而變化時(shí)，銅電阻 Cu50兩端的電壓也隨之反方向變化，如果分壓電阻R2的阻值選擇適當(dāng)，則Cu50兩端電壓的變化能自動(dòng)的補(bǔ)償冷端溫度變化對(duì)熱電偶熱電勢(shì)的影響。根據(jù)冷端補(bǔ)償?shù)亩x，應(yīng)使50°C與0°C時(shí)Cu50兩端的電壓差等于熱電偶在50°C時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)冷端溫度為零度時(shí)存在的電壓mV通過后面的調(diào)零電路解決，以鎳鉻-鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號(hào)K）測(cè)量變送范圍0~1300℃為例， K分度50°C時(shí)輸出熱電勢(shì)等于2.022mV即：由此可求得：R2=13kΩ。
電路中，熱電偶mV信號(hào)和冷補(bǔ)銅電阻兩端電壓相加，經(jīng)過R4輸入到LM124的級(jí)放大器，根據(jù)放大器工作原理，我們可以得出輸出電壓（設(shè)包括熱電偶及冷補(bǔ)之和的輸入信號(hào)為V）。 設(shè)計(jì)考慮使得當(dāng)熱電偶的溫度達(dá)到很大值(1300℃對(duì)應(yīng)熱電勢(shì)為52.398mV)，放大器的輸出電壓為2.5V。也就是說，熱電偶冷端溫度為0°C時(shí)的電壓加上熱電偶的很大熱電勢(shì)，再乘以放大倍數(shù)應(yīng)等于2.5V，即：其中，K為L(zhǎng)M324的放大倍數(shù),由此可計(jì)算出K=40，如果取R4=R5=5.1kΩ，則R6應(yīng)為180kΩ。
2、線性化調(diào)整電路和二級(jí)放大電路
該局部電路（這一級(jí)輸出V2）是本電路中十分重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是比較難的環(huán)節(jié)。因?yàn)樗婕暗秸麄�(gè)電路的線性調(diào)節(jié)。放大部分在前面已經(jīng)敘述，現(xiàn)在就線性調(diào)節(jié)問題加以闡述。具體電路如圖5所示（圖中幾個(gè)二極管連接的電路就是線性修正電路）。電路中的R9、R10、R11、R13、R14、R15、R16均為斷開，只有在需要時(shí)，我們才加上該電阻。
本電路是用一非線性放大電路去校正被測(cè)參數(shù)的非線性特性, 其原理就是由二極管補(bǔ)償電阻組成的折線并聯(lián)支路在輸入信號(hào)的不同位置相續(xù)起作用, 使放大器在信號(hào)大小不同位置放大倍數(shù)不同, 其非線性特性剛好和被測(cè)熱電偶非線性特性相反。在本電路中采用六個(gè)折點(diǎn)(三個(gè)為正三個(gè)為負(fù)), 折點(diǎn)的位置可改變支路二極管導(dǎo)通電壓調(diào)整, 調(diào)整折線支路電阻大小可改變折線補(bǔ)償斜率。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可取幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行修正，對(duì)于K分度（檢測(cè)范圍0~1300°C）,首先可以假定在0~100°C范圍近似線性，非線性誤差忽略不計(jì)，另外再取500 °C、900°C、1300°C作為修正檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)值在要求線性值以上，則表示輸出值偏大，這就 需要降低輸出，具體措施就是連接D7~D12中某一級(jí)調(diào)整電路；反之則連接D1~D6中某一級(jí)調(diào)整電路。電路中拐點(diǎn)選擇二極管可根據(jù)修正的需要選用硅管或鍺管。調(diào)整方式如下：首先以0°C調(diào)零1000°C調(diào)滿, 然后按以下順序反復(fù)調(diào)校：
A 、對(duì) 100°C~500 °C段非線性調(diào)整時(shí)，我們可以連接D1或者D12這一級(jí)，然后調(diào)整R9或者R16電阻大小來改變放大器的放大倍數(shù)，使其達(dá)到規(guī)定輸出值。如果檢測(cè)到輸出值偏小，要選擇R9 D1，計(jì)算調(diào)整R9的阻值, 促使本段運(yùn)放放大倍數(shù)上升，直到輸出電壓增大到要求線性值。如果我們檢測(cè)到輸出值偏大，則需要選擇R16 、D12。并調(diào)整R16阻值，促使本段運(yùn)放放大倍數(shù)下降輸出電壓減小到要求線性值。
B 、在調(diào)節(jié)500 °C~ 900°C段非線性調(diào)整時(shí)，我們可以連接D2、D3或者D10、D11，然后調(diào)整R10或者R15的大小。
C、對(duì)900 °C~ 1300°C段非線性調(diào)整時(shí)，根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)1300°C輸出值偏大或偏小決定選擇連接的是剩下兩個(gè)折線補(bǔ)償支路(三個(gè)二極管)的哪一路, 方法同上。
和熱電阻變送器相同，在該電路中的R12的作用是修正電源波動(dòng)時(shí)對(duì)整個(gè)電路的影響。防止電壓源不穩(wěn)定造成4~20mA波動(dòng)。調(diào)零調(diào)滿及V/I轉(zhuǎn)換電路也和熱電阻相同在此不再贅述。
軟件設(shè)計(jì)
1、設(shè)計(jì)概述
根據(jù)在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的需要，對(duì)不同分度號(hào)不同量程的二線制溫度變送器，其電路參數(shù)也略有不同, 這給產(chǎn)品的生產(chǎn)調(diào)試帶來不便, 為此在理論計(jì)算分折的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)輔助軟件來解決這個(gè)問題。在這里，同一類二線制變送器電路原理基本相似，只是有幾個(gè)電阻參數(shù)不同。為此，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)輔助計(jì)算軟件，來計(jì)算不同分度號(hào)不同量程變送器電路所對(duì)應(yīng)的合適電阻值。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們可以分兩大類：
(1)熱電阻二線制變送器
該類電路包括：Pt100、Pt10、Cu50、Cu100、G、二線制變送器。
(2)熱電偶二線制變送器
該類電路包括：熱電偶K、E、S、B、J、T、WRE二線制變送器。
2、電阻計(jì)算的VB界面設(shè)計(jì)
根據(jù)要求，對(duì)于該界面，它應(yīng)集成了檢測(cè)電路類型選擇、電阻計(jì)算、具體電路圖查看、電阻阻值顯示（混和電路原理圖）等功能。當(dāng)我們?cè)谶x擇了所需檢測(cè)電路類型時(shí)，單擊確定后，在我們的主體窗口中就可以將各個(gè)需計(jì)算的電阻顯示出來，同時(shí)，為了更加清晰的顯示各電阻之間的關(guān)系以及所計(jì)算電阻在電路中的位置，我們還要同時(shí)顯示出電路原理圖，把算出的電阻值顯示在原理圖上電阻的相應(yīng)位置。主體窗口中的熱電阻、熱電偶二線制變送器電路的查看，主要是提供一個(gè)全面的設(shè)計(jì)電路原理圖，藉以顯示在桌面上，同時(shí)消除因?yàn)轱@示電阻值而使電路線路不清楚的影響。界面的主體窗口如下：
(1)電路類型選擇設(shè)計(jì)
在類型中，我們有各種分度的二線制變送器。為此選擇ComboBox命令來建立下拉式選擇菜單，在該命令的List-list中輸入所需各種類型，然后對(duì)該下拉菜單進(jìn)行命名，比如CboOk。此外在主體程序中進(jìn)行相應(yīng)的鏈接。部分鏈接顯示如下：
If CboOk.Text="請(qǐng)選擇類型"Then MsgBox"必須選擇所需要的類型"
If CboOk.Text= "Pt100(0~500度)"Then......
它的功能主要是通過對(duì)類型的控制來選擇所需要的計(jì)算。
(2)電阻阻值顯示（混和電路原理圖）設(shè)計(jì)
A、對(duì)于在主體窗口中的電阻值的顯示，可以采用TextBox命令來對(duì)計(jì)算出來的阻值進(jìn)行顯示，由于要有相應(yīng)的電阻符號(hào)（R1或者其它電阻符號(hào)），還要采用Lable命令，來顯示相應(yīng)的電阻符號(hào)。在對(duì)電阻進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以采取如下的方式（假設(shè)選擇的是Pt100二線制變送器，計(jì)算某一電阻R9公式已知，計(jì)算R9的程序如下）：
If CboOk.Text = "Pt100(0-500度)" Then
Label7(4).Visible = False
Label7(3).Visible = True
Text2.Text = (Val(Text1(0).Text) * 100 - 2.5 * 2.809) / (2.5 * 0.1809)
式中Text2.Text即表示我們所求的R9，(Val(Text1(0).Text)則表示我們的未知值，或者是已知的需要帶入本式計(jì)算的值。Label7(3) Visible、Label7(4)Visible是指我們第三個(gè)、第四個(gè)計(jì)算輸出的電阻值，在熱電阻變送器中，我們的規(guī)定它們的單位為kΩ，而在熱電偶變送器中，我們規(guī)定的單位為歐，為此，在需要顯示以kW為單位的電阻值時(shí)，我們需要隱藏以W為單位的電阻值。
B、對(duì)于同時(shí)顯示的電路圖以及顯示在電路中的電阻值，我們必須新建一個(gè)窗體Form2以及Form3，同時(shí)還要設(shè)定一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊，藉以從Form1中把計(jì)算出的電阻傳輸?shù)紽orm2以及Form3的電路原理圖中顯示。新建窗體或者模塊，可以在VB的程序編寫界面的工程條中選取新建窗體或者新建模塊命令。在模塊中，我們可以任意設(shè)定變量，但前提是必須與Form1主體程序中的變量一致。
C、Form2、Form3設(shè)計(jì)思路完全一樣，只是在顯示熱電阻電路時(shí)，熱電偶電路不顯示，在顯示熱電偶電路時(shí)，熱電阻電路不顯示。這是我們需要利用 Form2.Show Form3.Hide語句來屏蔽 Form3或者Form2的顯示。由于我們有單獨(dú)的電路顯示，為此，當(dāng)只需要查看電路圖而不需要顯示電阻值或者那個(gè)Lable框時(shí)，也需要對(duì)在電路圖中幾個(gè)Lable顯示框進(jìn)行屏蔽。
結(jié)論
本文介紹的熱電阻、熱電偶兩線制變送器具有電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高的特點(diǎn)，精度可以保證在0.5%以內(nèi)�？梢灾瞥尚◇w積的一體化兩線制變送器，直接安裝在熱電阻、熱電偶傳感器接線盒內(nèi)；已產(chǎn)品化批量生產(chǎn)，并得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，本文介紹的輔助設(shè)計(jì)軟件解決了不同分度號(hào)、不同量程變送器電路參數(shù)不同帶來調(diào)試?yán)щy的問題。具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。