变送器的设计与实现

学习情境2：温度变送器的设计与实现2.1学习目标掌握模拟信号的基本变换方法。掌握使用集成运算放大器将uA级温度传感器信号转换为0-5V的标准信号的设计思路和电路调试方法。2.2工作任务2.2.1工作任务名称AD592温度传感器信号变送电路的设计与实现。2.2.2工作任务背景变送器是将传感器测得的各种工艺信号（温度、压力、流量、液位等）转换成标准信号的设备，广泛应用于各种工业测控系统中。2.2.3AD592温度变送器技术标准（1）供电12VDC（2）变送器输入温度范围：0-100摄氏度（3）变送器输出电压范围：0-5VDC（4）精度等级：0.5级（5）负载阻抗：1MΩ（6）限制条件：0V≤输出电压≤5V2.3任务知识点2.3.1什么是传感器国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。目前工业上常用的传感器有温度传感器、压力传感器、流量传感器、物位传感器、成分传感器等。传感器的输出信号类型以输出信号为标准可将传感器分为：模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号。准数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。2.3.3为何要对传感器输出信号进行调理和转换模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。通常，传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。调理就是放大、缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。2.3.4什么是变送器变送器的作用：将各种工艺信号（温度、压力、流量、液位等）转换成标准信号。例如：将压力信号转变为标准信号的设备叫做压力变送器；将温度信号转变为标准信号的设备叫做温度变送器等等。通常情况下，在工业应用中，变送器是指传感器和信号调理转换电路的总成。扩散硅压力变送器温度变送器温度传感器信号调理和转换电路的功能可归纳为以下三个主要方面：（1）滤波•消除、抑制干扰（2）变换•电流→电压•电抗→电压•电抗→频率→电压（3）标准化•平移使输出信号过0•放大弱电压转换为0~5V或4~20mA•整形将频率输出转换为脉冲信号2.3.5温度传感器有哪些种类（1）集成温度传感器AD592•供电：+4V~+30V•温度系数：1uA/K•0℃输出：273.2uA•工作温度：-25℃~+105℃•非线性误差：0.1℃~0.5℃•重复误差：±0.1℃•时飘：±0.1℃/月AD592输出量为随温度变化的电流，抗干扰能力强，信号调理电路容易实现。（2）铂电阻温度传感器PT100•供电：无源•温度系数：近似0.003851/℃•0℃输出：100Ω•工作温度：-200℃~+650℃•响应时间：2S~30S（与结构有关）铂金属性能非常稳定，制成的温度传感器重复性和长期稳定性非常好，工作温度范围很宽。铂电阻的温度—电阻关系是由一多项式确定的近似线性关系，通常通过查分度表获得温度值。铂电阻的阻值需要用电路变换为电压，电路复杂，为避免自热现象工作电流不能过大。（3）热电偶温度传感器（T型）•供电：无源•温度系数：非线性•0℃输出：0uV•工作温度：-200℃~+400℃热电偶利用2种金属接点的热电效应进行温度测量，工作温度范围宽，抗冲击，相应速度快。热电偶灵敏度低（几十uV/℃），易受干扰。热电偶输出电压与温度变化呈非线性关系，并且测量中需要冷端补偿，信号调理电路构成复杂。（4）集成数字温度传感器DS1820•供电：+3.0V~+5.5V•输出：9bit数字量•测量精度：0.5℃•工作温度：-55℃~+125℃•一线串行数字接口•零功率待机DS1820为单片式数字化的测温传感器，无需信号调理电路，无需外围元件，直接输出温度的数字量值。（5）温度传感器对比选择从几种典型的测温传感器特性对比可知：•热电偶灵敏度低，温度与输出为非线性关系，信号调理电路复杂，适合宽温范围测温。•铂电阻温度与输出非线性关系，需要电组到电压的转换，电路复杂，适合宽温范围测温。•DS1820采用一线串行数字控制，操作过程复杂，初学者不易掌握。•AD592输出电流与温度成线性关系，抗干扰能力强，精度满足设计要求，响应速度快，信号调理电路容易实现。为教学过程的首选测温传感器。•（6）AD592特性分析•AD592是两端集成温度传感器,外围电路简单。在常温测量领域中,可取代电热调节器、电阻式温度检测器、热电偶等传统的温度传感器。电流温度系数为1uA／K，恒流源输出。T=0℃T=100℃i1=273uAi2=373uAi2-i1=100uA1uA/℃问题与思考：AD592是传感器还是变送器？AD592是恒流源输出，想一想恒流源有什么特点？变送器的功能是什么，主要包括哪些部分？AD592是模拟式传感器还是数字是传感器，为什么？为什么说AD592的信号转换电路比热电阻和热电偶温度传感器的要简单？为什么我们要把AD592的信号转换成0-5V的信号？请给出绝对温标和摄氏温标之间的换算关系。2.3.6AD592温度变送器的实现本情境的根本任务是制作温度变送器，将AD592传感器的微弱电流信号，通过转换电路输出为0-5V的信号，变送器特性如下图所示：T=0℃T=100℃vo=0Vvo=5V5V/100℃=0.05V/℃2.3.6.1电流/电压转换电路⑴电阻取样电路问题与思考8）这种转换方法有什么缺点？⑵运算放大器电流→电压转换电路问题与思考9）这种转换方法有什么优点？这种电路的输入端反馈形式和输出端反馈形式各式什么样的？2.3.6.2.放大与平移电路设计1.AD592恒流补偿、运算放大器电流→电压转换电路的平移方案（1）恒流补偿（平移）后的电流→电压特性⑵平移、放大后的电流→电压特性问题与思考1.这种电路为什么要使用双电源（±V）？2.AD592恒压补偿、运算放大器电流→电压转换电路的平移方案⑴恒压补偿（平移）后的电流→电压特性（2）平移、同相比例放大后的电流→电压特性问题与思考1.这种转换方法有什么缺点？2.电路中的0.273V电压源如何实现？