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三线制隔离型温度变送器工作原理及性能特点

作者:江苏创辉自动化仪表有限公司
温度是工业现场用得***多的待测物理量,热电阻由于在测量的灵敏度、线性度等诸多方面均优于热电偶,因此,在中低温地区得到了更广泛的应用但工业现场的环境十分复杂和恶劣,在很多情况下电路所处的环境温度高达100℃,电磁干扰之场强达到(20~30)Vm,射频可达500MHz,传统热电阻温度变送器在这样的环境中不能满足精度要求,本文针对以上特点将变送器输出的电流信号经光电隔离器切断电磁十扰,同时初、次级电路电源分开,提出了-种精度高、抗干扰能力强的三线制隔离型热电阻温度变送器,具有很强的针对性和实用性。
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1.热电阻温度变送器原理图
变送器的原理见图1
测量部分可以检测被测参数x,并将其转换成能被放大器接收的输入信号Z。隔离器的作用是将仪表的输入与输出隔离开来,使现场的一些有害小信号不能传输到下一级仪表中去,实现现场与控制室之间的隔离。反馈部分则把变送器的输出信号y转换成反馈信号Z,再送至输入端。Z与调零信号Z的代数和同反馈信号Z进行比较,其差值E送至放大器进行放大,并转换成标准输出信号y。
 
2.热电阻温度变送器的原理图与工作过程
热电阻温度变送器的方框图见图2。
热电阻按三线制接法大大提高了信号远距离传输的精度,其中热电阻的一端接到仪表的第J-1端,另外的一端接到仪表的J-2和1-3端,连接导线自身线阻引起的小的共模电压会被XTR抑制掉。XTR是用于RTD的专用集成变送器,提供0.8mA-~1mA恒流源信号。热电阻将电流信号转换成电压信号并由J-1及J1-2、J1-3输入到XTR芯片中去。由芯片对热电阻输入特性进行线性补偿(其中 XTR通过变阻器W1调节零点,通过W2调节满量程),热电阻的信号进行过补偿、电压电流转换后由XTR的20脚输出4mA-20mA的波动较大的电流信号.此信号在输送到隔离器前还经过了C1及C5进行滤波,由R3转换为V~5V直流电压信号,隔离器按1:1将信号输送到电压电流转换部分,经过放大器F741及两个三极管转换成极稳定的4mA-20mA的线性电流信号。该信号在传输过程中不会衰减。进入控制室后,当回路中串入2509电阻即可取得(1~5)V的直流电压信号,可同时并联到控制回路和监视显示仪表。由于传输下线为4mA,不与机械零点重合,很容易判别断电、断线故障,而传输上限为20mA,极大地提高了所提取的信号强度和分辨率。
2.1电源
隔离电源的输入为直流24V,输出为15V。隔离电源在电路中的名称分别为POW1和POW2,其中POW1为初级电路供电,即为XTR及ISO122P的输入级供电;POW2对仪表的第二级电路供电,即对放大器及其附属电路、三级管、隔离的次级供电。这样隔离供电的优点是:电源分开,初级的干扰信号、杂波等不能通过电源线而进入到仪表的第二级电路中,从而为两部分电路实现隔离提供了保障。
2.2XTR的主要性能特点
其ZUI大特点是可对铂电阻中的二次项进行线性化补偿,从而使RTD的非线性大大改善,其改善前后的非线性比可达40:1;外接的NPN三极管T3,将外部电源电流与消耗严格地分开,从而降低XTRl03内部功耗及发热,减少热漂移以提高电路性能;经调试,XTR在(-40-85)℃范围内总的调节误差不高于10%
2.3光电隔离器
光电隔离器由一个发光二极管和一个光敏三极管组成,在信息的传输过程中,用光作媒介,把输入和输出端的电信号耦合在一起。由于输入端和输出端仅用光耦合,故在电性能上是全隔离的。在此能切断XTR103输出电流信号中的小信号、隔离电或磁的联系、保护仪表的二级芯片,从而达到电源、输入和输出三项相互隔离的功能。
2.4电压,电流转换
由转换原理图可知:(U2-U1)R5=(U1-U3)/R8则U3=[U1R5-R8(U2-U1)]/R5    I=U3/(R9+nW4)。
根据推算的公式可知,调W的大小即可调变送器的量程,调W3的大小即可调变送器的零点,调校时必须考虑量程(零点)对零点(量程)的影响。
 
3.仪表的性能特点
3.1精度高
在工作现场采用0级仪表校准PT100热电阻变送器的部分数据见表1(量程:0℃-500℃)从表1数据,可知变送器和隔离器的精度等级均为0.2,这足以满足工业生产的要求。
3.2抗干扰能力强
设计的温度变送器其外壳采用复合塑料制品,内部电路板的元件设计时电路的制板比较松散,仪表经过满量程电流老化过程,并且内部具有隔离电路,可以抗共模干扰、串模干扰。故此仪表可应用于温度环境较恶劣的场合。
3.3性能稳定
经过实际的校准、仪表高温、强电流老化以后仪表的工作状态很稳定。
3.4误差小
对于外来的电磁干扰信号,本仪表使用铁膜屏蔽的方法:对于引线误差,尽量采用较粗且阻值较小的引线;对于元件的误差,尽量采用质量、准确度达到要求的元件,并在仪表的使用过程中弥补误差带来的影响(如:隔离芯片输出电压均略高于输入电压,故在电压电流转换过程中将起到将变高的电压再转换成标准的电流信号)
 
4.结束语
应用上述方法实现温度测量,具有简单、实用、抗干扰能力强、测量精度高等特点,并且很容易实现热电阻测量信号处理,将其用于数据监测系统中,收到了良好的效果。
 
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