齐鲁工业大学课程设计专用纸成绩
课程名称传感器课程设计指导教师孙凯
院（系）电气学院专业班级测控13-2
学生姓名吴海旺学号 201302051056 设计日期 2016.3.4 课程设计题目热电偶温度变送器课程设计
一、主要内容
设计一个带冷端补偿的温度变送器。其中我们用K型热电偶作为感温元
件，用100Gu作为冷端的自动补偿电路的元件，使冷端工作在一个易于计
算的环境下，用XTR101把传感器的电压信号放大并自动地变换成标准电
流信号。并通过对输出电压的测量实现对温度的测量。
二、基本要求
（1）设计测量温度范围-100～500°C的热电偶传感器。
（2）选用合适的热电偶材料，设计测温电路，冷端补偿电路，解决非线
性化等问题。
（3）有电路图（protel绘制），选型与有关计算，精度分析等。
（4）采用实验室现成的热电偶进行调试。
（5）完整的实验报告。
三、主要参考资料：
赵广林. protel99电路设计与制版.北京：电子工业出版社，2005
程德福,王君.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，2007
目录
一、设计目的 (3)
二、课程设计的任务要求 (3)
三、课程设计的基本原理 (3)
1、热电偶测温原理 (3)
2、变送器原理框图 (4)
四、课程设计的主要内容 (4)
1、热电偶的选择 (5)
2、设计构架 (5)
3、具体电路的设计 (7)
五、课程设计的心得与体会 (12)
六、参考文献 (13)
七、附图
热电偶测温电路 (14)
热电偶温度变送器设计
一、课程设计的目的
1、掌握热电偶的结构、工作原理及正确选择。
2、了解变普通送器的结构及简单应用。
3、通过设计增加对所学知识的灵活掌握和综合应用能力。
二、课程设计的任务要求
任务要求：
（1）设计测量温度范围-100~500℃的热电偶传感器
（2）选用合适的热电偶材料，设计测温电路，冷端补偿电路，解决非线性化等问题
（3）有电路图（PROTEL绘制），选型与有关计算，精度分析等
（4）采用实验室现成的热电偶进行调试
三、课程设计的基本原理
1、热电偶测温原理：
下图为热电偶测温原理图，热电偶的热端与被测物体接线，温度为t。
电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势。
热电偶的冷端放在冰水混合液中，整个回路的电动势由右边的毫伏表读出，以此读数查表即可得热端被测物体的温度。
但测温方法有很多缺点，如冷锻必须为0℃，电路电动势为毫伏级，不易测量等，故设计500℃。热电偶温度变送器。该变送器将对冷端进行补偿，并将电动势值放大，其测温范围为-100℃～500℃
2、变送器原理框图
四、课程设计的主要内容
1、热电偶的选择
热电偶是工业上广泛使用的温度传感器，它最大的优势就在于温度测量范围极宽，理论上从-270℃的极低温度到2800℃的超高温度都可以
测量，并且实际应用中在600℃-2000℃的温度范围内可以进行最精确的温度测量。在化工、石油、电力、冶炼等行业的自动化控制系统中热电偶发挥着对温度的监控作用。热电偶主要有以下几种标准化的型号：
⑴（S型热电偶）铂铑10-铂热电偶
⑵（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶
⑶（B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶
⑷（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶
⑸（N型热电偶）镍铬硅-镍硅热电偶
⑹（E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶
⑺（J型热电偶）铁-铜镍热电偶
⑻（T型热电偶）铜-铜镍热电偶
本次课程设计选用（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶，此热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-200~1300℃。
其主要特点：
（1）K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。
（2）K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。
2、设计构架
齐鲁工业大学课程设计专用纸（附页）（1）设计要求
整套系统要求在-100～500℃范围对应输出4mA～20mA的电流型温度变送器。
在实际的工业化需求中，往往需要设计为标准信号的变送器，以便与仪表和后续接口电路兼容。在输出为模拟信号时，有电压型和电流型两种变送器。电压型变送器的输出为0～5v，虽然其在信号处理方面具有优势，但抗干扰能力较差，在远距离传输时信号衰减大，而电流型变送器却在这方面独具优势。因此在工业实践中得以广泛应用。
通常，电流型变送器有输出0～20mA和4～20mA两种。对于输出0～20mA 的变送器，虽然电路调试及数据处理都比较简单。但对于输出4～20mA 的变送器，能够在传感器线路不通时，通过是否能检测到正常范围内的电流，判断电路是否出现故障，因此使用更为普遍。
（2）电路功能
【1】温度补偿
当热电偶测温时，其冷端温度受环境变换影响较大，从而会影响最后测量的电信号。为了能得到稳定的电信号，以便算出真实的待测温度，需要对热电偶的冷端进行温度偿。（见图3）
【2】信号的放大
热电偶测温的原理是基于热电转换效应。虽然它集放热、转换为一体，能直接实现温度到电压的输出，但输出幅度很微小。如K型热电偶的灵敏度为0.04mv/℃。因此，对其信号必须进行放大。
