K型热电偶变送器电路研究

最近从闲鱼淘得一批K型热电偶变送器，准备研究下。SBWR型，24V输入，4-20mA输出 K型，如图


支持pt100的，居然是带usb的智能型变送器，看来还要去淘几个sbwz

不知有没有从事过这方面电路设计，给个参考电路图。

里面就一个OP07，单运放那种。

拆开一个，绘制了原理图如下：
K，0-600C ，4-20mA

经分析，扣除相关滤波，一些次要器件，得到最小原理图如下，方便分析：

这是变送器的电阻网络，即使用西北模电王杨教授的MF法，M*vi+F*Vo都不够。这里还有一个变量M*vi+F*Vo+K*vref。我是用matlab算的，不知道老一辈人是怎么手算的。老仪表电路，没有一定功底，改都改不了。还好借助计算机的帮助，现在可以改成输出电流或输出0-5V或0-3.3V这种单片机友好的方式。


左图为电阻输入网络，右侧为节点电流法等效电路。对节点电流法不熟悉的，也可以用叠加定理法。
如果近似计算，R1和Rd去除，可以节省很多计算量，但是对我来说，没有意义。
节点电流法方程：

其中：
VN=V3
VP=V2+vs
当VN=VP，解方程可以得出传递函数，式子很长，不在列出。
其中：
其中r1，rd，r2，r4，r5确定后，r3和rf是个变量，其中r3主管偏置，对增益有微弱影响，rf是热电偶量程的关键。
r2和r4，仔细看了电路板好像不是温度补偿电阻。

今天拆开了0-200量程的，区别如下图：

R5为量程电阻。D2后面的电阻可能是个线性化电路。由于手上没有过程校验仪，不好测试。
今天用仿真软件试验了下，如果运放改成LM358（VOS设定在5mV），W1范围要比2K大，W2变化不大。
如果此电路做在主控板上，可改成0-5V和0-3.3V等单片机友好的输出。如果机器比较大，推荐热电偶就近转化成4-20mA，避免热电偶引线过长，热电偶的引线很贵的。且引线过长带来更多干扰问题。

叶春勇 发表于 2022-8-31 16:07
这是变送器的电阻网络，即使用西北模电王杨教授的MF法，M*vi+F*Vo都不够。这里还有一个变量M*vi+F*Vo+K*vre ...

用戴维南定理和叠加定理，算起来应该不难啊

热电偶是非线性的，二极管是用来做折线校正的，才一段校正，也不知你精度如何保证

bazhonglei 发表于 2022-8-31 22:03
用戴维南定理和叠加定理，算起来应该不难啊

三个电压源，叠加三次，叠加时用一个电压源，另外两个短接。要并串很多电阻。列三次，计算量自己看吧。

一事无成就是我 发表于 2022-8-31 22:20
热电偶是非线性的，二极管是用来做折线校正的，才一段校正，也不知你精度如何保证
...

这种老变送器，成本有优势，市场一时半会出不来局，就像rcc一样，老一辈的电路，运放当金子用，设计也精巧。就是这种电阻网络要分析好一会，不搞懂，改都改不了。

这个电路二十年前我们就用的多，前面是桥，调满，二极管那里是调零，二极管是利用非饱和区非线性做折线校正的，以前我们多用4段折线法，这种零点和满度有一定影响，需要来回调整

调零调满说反了，纠正一下，谢谢

K型热电偶的特性：这是网络上k型热电偶的多项式拟合的数据

编写了python程序：

复制

import math

import matplotlib.pyplot as plt



b=[-1.7600413686e1,

    3.8921204975e1,

    1.8558770032e-2,

   -9.9457592874e-5,

    3.1840945719e-7,

   -5.6072844889e-10,

    5.6075059059e-13,

   -3.2020720003e-16,

    9.7151147152e-20,

   -1.2104721275e-23]



c=[1.185976e2,-1.183432e-4]



def get_k(table1,table2,t):

    v=0

    for i in range(10):

        v=v+math.pow(t,i)*table1[i]

    v=v+table2[0]*math.exp(table2[1]*(t-126.9686)*(t-126.9686))

    return v



print(get_k(b,c,600))

VOH=68*16e-3

GAIN=1e6*VOH/get_k(b,c,600)

print(VOH,GAIN)



x=[]

data1=[]

data2=[]

data3=[]

for i in range(601):

    x.append(i)

    data1.append(get_k(b,c,i))

    data2.append(i*get_k(b,c,600)/600)

    data3.append(24905*100*abs(data1[i]-data2[i])/24905)



plt.plot(x,data1,color='r')

plt.plot(x,data2,color='y')

plt.bar(x,data3)

plt.show()

得到一个图：

其中黄色的线是基准线，与0-16mA完全对齐的期望输出。
红色线为K型热电偶的拟合理论数值。
蓝色柱图为两条曲线的偏差。
观察红色线，的确是可以分段。
表现为0-300℃斜率低，需要高放大倍数。
300-600摄氏度斜率高，需要降低放大倍数。

首先分析下二极管反馈的电路的特性：
以下是同相放大器为例


发现用二极管开关模型，当二极管导通：
1、放大器的增益下降，rf1和rf2并联导致反馈电阻减小。
2、会引入一个偏置，此偏置与rf1和rf2的比值，同时与二极管导通电压VT有关。
对比变送器的原理图：
当R5+W2的电压大于0.7V会导致电压增益下降。
用仿真软件，大概折线端在428摄氏度附近。
由于二极管串联的电阻是62k，二极管电流很小，对于很多小硅二极管，都是小于0.7的。
根据热电偶分度表，应该在300摄氏度附件。
此电路二极管全部是玻璃封装，无法确认型号。

搞清楚热电偶需要线性矫正的原因。于是问题来了，该如何计算呢。看着二极管的指数方程头皮发麻。但是仔细想了下：
1、二极管的伏安曲线，可以得知二极管的等效静态电阻是随着电压单调下降的。
2、这个电压就是运放的输出到运放的反相端，根据仿真软件的结果，电压为0-1.1V左右。20mA处
3、1.1V时，根据二极管等效静态电阻的单调下降的特性，在1.1V时得到最小电阻。此时与串联的6.2k再与反馈电阻并联。
现在问题是求R+D在1.1V下的等效电阻。
于是我做了个试验

电阻R，从10k-90k，测得电压算出电流，电流除以1.1V得到总有效等效电阻Rtotal=R+Rdeq
得到：
串10K，得到REQ=17.2k
串20K，得到REQ=33.2k
串30K，得到REQ=48.7k
串40K，得到REQ=64.0k
串50K，得到REQ=79.1k
串60K，得到REQ=93.9k
串70K，得到REQ=108.8k
串80K，得到REQ=123.35k
串90K，得到REQ=137.8k
根据电阻并联的计算方法，该等效电阻与反馈电阻并联造成总体增益下降的效果
其中：下降10‰，需要并联99倍Rtotal。下降5‰，需要并联199倍的Rtotal
其中反馈电阻在600°C量程大概4.45k
下降10‰，需要并联：4.45k*99=440k
下降5‰，需要并联：4.45*199=885.55k
根据实际的电阻的选择为62k，与试验的50-60k（等效电阻79k-93k），非常接近。此二极管是1N4007

一事无成就是我 发表于 2022-8-31 22:45
这个电路二十年前我们就用的多，前面是桥，调满，二极管那里是调零，二极管是利用非饱和区非线性做折线校正 ...

我今天折腾了下这个折线矫正，推测矫正量在5‰附近。
计算方法是把二极管和电阻当作一个整体，算一个电阻与反馈电阻并联，我做试验做出来的，是50-60k+1n4007

叶春勇 发表于 2022-8-31 10:32
拆开一个，绘制了原理图如下：
K，0-600C ，4-20mA

这电路错的吧？

OPA 本身的工作电流是恒流吗？  不会瞎飘？

现在都是数字的了

楼主先弄清楚“冷端补偿”是什么再来啰嗦好不好？不搞冷端补偿，你算了这么多等于瞎子点灯白费蜡。

R2D2 发表于 2022-11-30 20:41
楼主先弄清楚“冷端补偿”是什么再来啰嗦好不好？不搞冷端补偿，你算了这么多等于瞎子点灯白费蜡。 ...

多谢提醒。
冷端补偿有补偿导线，每种补偿导线都有特定的补偿导线。
我拆解的这款，的确没有发现冷端补偿的电路。
有的仪表有，是用二极管的be电压分压得到。
我也非常奇怪。不过我知道这回事，二次仪表可解决，便宜的仪表可以加偏置解决。
工业上很多仪表静态误差不敏感，比如注塑机温度，温度不够，工人会自己去加高，就是所谓的调机。
你是说那个二极管反馈回路是冷端补偿吗？

R2D2 发表于 2022-11-30 20:41
楼主先弄清楚“冷端补偿”是什么再来啰嗦好不好？不搞冷端补偿，你算了这么多等于瞎子点灯白费蜡。 ...

这是ddz-III的仪表的电路图：可惜没找到带元件的。

这是ddz-II型的，有元件值，这个太老了，都是斩波三极管放大器。


问一下，ddz-III温度变送器，有元件值的电路图的书，给个书名，我去涛本。