二線制溫度變送器分別與熱電偶和熱電阻相配合，可以將溫度信號線性地轉(zhuǎn)換成4~20mA直流標準輸出信號。
二線制溫度變送器應(yīng)具有以下主要特點：
(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標準信號輸出線。
（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輸出信號和被測溫度呈線性關(guān)系。
(4)在熱電偶溫度變送器中，要進行冷端補償，冷補范圍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部分，其中放大單元是通用的，而量程單元，則隨品種、測量范圍的不同而不同。
熱電阻二線制變送器的設(shè)計
1、信號采集電路
熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化而變化的特性測量溫度, 常用的有鉑電阻Pt100、Pt10銅電阻Cu50、Cu100等。 其阻值與溫度關(guān)系可通過分度號表查詢。
2、一級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放大,在本級電路中采取了差動放大。同時，與該放大電路連接在一起的還有一個正反饋非線性調(diào)整電路，它的主要功能是對熱電阻與溫度電阻間的非線性進行修正,保證放大器的輸出電壓被測溫度成線性關(guān)系。
R7、R8、R9以及LM124構(gòu)成了放大電路。對于該局部電路，輸入信號來自采集到的信號V和V￠，輸入信號分別各自經(jīng)過R7、R8進入LM124的組運算放大器, 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。
則實際輸出：
由于熱電阻線性較好, 經(jīng)計算調(diào)校本電路中R6=8.2kΩ，熱電阻非線性修正可以達到千分之二的精度。
3、調(diào)零、電源平衡及二級放大電路
對零點進行調(diào)節(jié)的電路，實質(zhì)上就是調(diào)節(jié)本級放大電壓輸出的大小, 保證在信號源零度（R5=100Ω, 級放大器輸出為零）時整個回路電流I1=4mA。它由R10、R16、R13、W1組成，實質(zhì)上就是在本級電壓輸入正端疊加一個調(diào)零電壓，使不足4mA的靜態(tài)工作電流達到4mA。此外，在該電路中，還有一個部分，那就是減小電源波動對電路輸出的影響，即電路中的R15,它可以抑制電源波動帶來的影響。當外界電壓源發(fā)生較大的波動時(或負載電阻RL變化)，電路靜態(tài)工作電流會發(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加到本級放大器的負端起到減法作用, 使本級輸出電壓下降, 選擇合適的R15阻值, 可以保證電源在允許范圍內(nèi)波動時輸出電流的穩(wěn)定。R17決定二級放大倍數(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組成的對上一級電壓輸出V2分壓構(gòu)成。通過對W2的調(diào)節(jié)，使得后輸出（信號源高輸入時整個電路的輸出）達到要求的輸出結(jié)果V(W2中間抽頭電壓)。R21、R22、R23、R24、R25及運放組成一個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，整個電路電流輸出I2≈V/R25。R26是一個負載電阻。
熱電偶二線制變送器電路設(shè)計
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、信號采集和一級放大電路
熱電偶的輸出是隨被測溫度變化的mV信號。在電路中，TL431的作用是輸出穩(wěn)定的2.5V。D0是一個保護二極管，它可以保護電源輸入正負反相對電路的危害。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起冷端補償作用。當熱電偶的熱電勢E12隨冷端溫度的變化而變化時，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，則Cu50兩端電壓的變化能自動的補償冷端溫度變化對熱電偶熱電勢的影響。根據(jù)冷端補償?shù)亩x，應(yīng)使50°C與0°C時Cu50兩端的電壓差等于熱電偶在50°C時的熱電動勢，當冷端溫度為零度時存在的電壓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K）測量變送范圍0~1300℃為例， K分度50°C時輸出熱電勢等于2.022mV即：由此可求得：R2=13kΩ。
電路中，熱電偶mV信號和冷補銅電阻兩端電壓相加，經(jīng)過R4輸入到LM124的級放大器，根據(jù)放大器工作原理，我們可以得出輸出電壓（設(shè)包括熱電偶及冷補之和的輸入信號為V）。 設(shè)計考慮使得當熱電偶的溫度達到很大值(1300℃對應(yīng)熱電勢為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時的電壓加上熱電偶的很大熱電勢，再乘以放大倍數(shù)應(yīng)等于2.5V，即：其中，K為LM324的放大倍數(shù),由此可計算出K=40，如果取R4=R5=5.1kΩ，則R6應(yīng)為180kΩ。
2、線性化調(diào)整電路和二級放大電路
該局部電路（這一級輸出V2）是本電路中十分重要的環(huán)節(jié)，同時也是比較難的環(huán)節(jié)。因為它涉及到整個電路的線性調(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，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參數(shù)的非線性特性, 其原理就是由二極管補償電阻組成的折線并聯(lián)支路在輸入信號的不同位置相續(xù)起作用, 使放大器在信號大小不同位置放大倍數(shù)不同, 其非線性特性剛好和被測熱電偶非線性特性相反。在本電路中采用六個折點(三個為正三個為負), 折點的位置可改變支路二極管導通電壓調(diào)整, 調(diào)整折線支路電阻大小可改變折線補償斜率。在實際設(shè)計過程中，可取幾個點進行修正，對于K分度（檢測范圍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，另外再取500 °C、900°C、1300°C作為修正檢測點，當檢測點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中某一級調(diào)整電路；反之則連接D1~D6中某一級調(diào)整電路。電路中拐點選擇二極管可根據(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調(diào)校：
A 、對 100°C~500 °C段非線性調(diào)整時，我們可以連接D1或者D12這一級，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)，使其達到規(guī)定輸出值。如果檢測到輸出值偏小，要選擇R9 D1，計算調(diào)整R9的阻值, 促使本段運放放大倍數(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，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900 °C~ 1300°C段非線性調(diào)整時，根據(jù)檢測點1300°C輸出值偏大或偏小決定選擇連接的是剩下兩個折線補償支路(三個二極管)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時對整個電路的影響。防止電壓源不穩(wěn)定造成4~20mA波動。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
1、設(shè)計概述
根據(jù)在實際設(shè)計生產(chǎn)中的需要，對不同分度號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, 為此在理論計算分折的基礎(chǔ)上設(shè)計了一個輔助軟件來解決這個問題。在這里，同一類二線制變送器電路原理基本相似，只是有幾個電阻參數(shù)不同。為此，我們可以設(shè)計一個輔助計算軟件，來計算不同分度號不同量程變送器電路所對應(yīng)的合適電阻值。在實際設(shè)計過程中，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、電阻計算的VB界面設(shè)計
根據(jù)要求，對于該界面，它應(yīng)集成了檢測電路類型選擇、電阻計算、具體電路圖查看、電阻阻值顯示（混和電路原理圖）等功能。當我們在選擇了所需檢測電路類型時，單擊確定后，在我們的主體窗口中就可以將各個需計算的電阻顯示出來，同時，為了更加清晰的顯示各電阻之間的關(guān)系以及所計算電阻在電路中的位置，我們還要同時顯示出電路原理圖，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，主要是提供一個全面的設(shè)計電路原理圖，藉以顯示在桌面上，同時消除因為顯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
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，然后對該下拉菜單進行命名，比如CboOk。此外在主體程序中進行相應(yīng)的鏈接。部分鏈接顯示如下：
If CboOk.Text="請選擇類型"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類型的控制來選擇所需要的計算。
(2)電阻阻值顯示（混和電路原理圖）設(shè)計
A、對于在主體窗口中的電阻值的顯示，可以采用TextBox命令來對計算出來的阻值進行顯示，由于要有相應(yīng)的電阻符號（R1或者其它電阻符號），還要采用Lable命令，來顯示相應(yīng)的電阻符號。在對電阻進行計算時，可以采取如下的方式（假設(shè)選擇的是Pt100二線制變送器，計算某一電阻R9公式已知，計算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算的值。Label7(3) Visible、Label7(4)Visible是指我們第三個、第四個計算輸出的電阻值，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，我們需要隱藏以W為單位的電阻值。
B、對于同時顯示的電路圖以及顯示在電路中的電阻值，我們必須新建一個窗體Form2以及Form3，同時還要設(shè)定一個數(shù)據(jù)傳輸模塊，藉以從Form1中把計算出的電阻傳輸?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)計思路完全一樣，只是在顯示熱電阻電路時，熱電偶電路不顯示，在顯示熱電偶電路時，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。由于我們有單獨的電路顯示，為此，當只需要查看電路圖而不需要顯示電阻值或者那個Lable框時，也需要對在電路圖中幾個Lable顯示框進行屏蔽。
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單、成本低、可靠性高的特點，精度可以保證在0.5%以內(nèi)。可以制成小體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，本文介紹的輔助設(shè)計軟件解決了不同分度號、不同量程變送器電路參數(shù)不同帶來調(diào)試困難的問題。具有較強的工程實用價值。