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K型热电偶变送器电路研究

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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。

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沙发
叶春勇|  楼主 | 2022-8-31 10:32 | 只看该作者
拆开一个,绘制了原理图如下:
K,0-600C ,4-20mA

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板凳
叶春勇|  楼主 | 2022-8-31 10:33 | 只看该作者
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:

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地板
叶春勇|  楼主 | 2022-8-31 16:07 | 只看该作者
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。

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5
叶春勇|  楼主 | 2022-8-31 16:18 | 只看该作者
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。

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6
bazhonglei| | 2022-8-31 22:03 | 只看该作者
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

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7
一事无成就是我| | 2022-8-31 22:20 | 只看该作者
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

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8
叶春勇|  楼主 | 2022-8-31 22:29 | 只看该作者
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。

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9
叶春勇|  楼主 | 2022-8-31 22:34 | 只看该作者
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。

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10
一事无成就是我| | 2022-8-31 22:45 | 只看该作者
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

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11
一事无成就是我| | 2022-8-31 22:45 | 只看该作者
调零调满说反了,纠正一下,谢谢

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12
叶春勇|  楼主 | 2022-9-1 08:51 | 只看该作者
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:
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。



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叶春勇|  楼主 | 2022-9-1 09:39 | 只看该作者
本帖最后由 叶春勇 于 2022-9-1 09:40 编辑

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。


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叶春勇|  楼主 | 2022-9-1 16:31 | 只看该作者
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

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15
叶春勇|  楼主 | 2022-9-1 16:35 | 只看该作者
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

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16
xch| | 2022-9-2 02:56 | 只看该作者
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?

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lqy520| | 2022-11-23 10:08 | 只看该作者
现在都是数字的了

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18
R2D2| | 2022-11-30 20:41 | 只看该作者
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。

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19
叶春勇|  楼主 | 2022-12-1 07:49 | 只看该作者
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?

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20
叶春勇|  楼主 | 2022-12-1 09:35 | 只看该作者
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。

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