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圖:熱電偶溫度變送器的原理解析及抗干擾設計方案

2021年03月02日 人閱讀

在單元組合式儀表中,熱電偶、熱電阻等敏感元件輸出的信號,需經一定的變換裝置轉變為標準信號。如在電動單元組合儀表中應變換為4 ~20mA直流電流信號,以便與調節器等配合工作。這種信號變換裝置稱為變送單元或變送器。

熱電偶溫度變送器的基本結構及原理解析

在電動溫度變送器中,根據所用的敏感元件(熱電偶或熱電阻)及測量參數(測量某點溫度或兩點間的溫差)的不同有幾種品種。不過,它們的基本結構是相同的,如圖1-8所示,其核心都是一個直流低電平電壓(mV)-電流(mA)變換器,大體上都可分為輸入電路、放大電路及反饋電路三部分。下面以DDZ—Ⅲ型電動單元組合儀表的熱電偶溫度變送器為例,對各部分的工作原理進行具體的介紹。

1.輸入電路

熱電偶溫度變送器的輸入電路主要起熱偶的冷端溫度補償與零點調整的作用,如圖1-9所示。由于它形式上是一個電橋,常稱為輸入電橋。

輸入電橋電路

圖:輸入電橋電路

圖1-9橋路的左半邊是產生冷端溫度補償電動勢的。由銅絲繞制的電阻Rcu安裝在熱電偶的冷端接點處,當冷端溫度變化時,利用銅絲電阻隨溫度變化的特性,向熱電偶補充一個由冷端溫度決定的電動勢作為補償。橋路左臂由穩壓電源/(約5V)和高電阻R(約10kQ)建立的恒值電流b流過銅電阻Rcu,在Rcu上產生一個電壓,此電壓與熱電動勢E串聯相加。當冷端溫度升高時,熱電動勢E下降,但由于R.c.增值,在Rc,兩端的電壓增加。只要銅電阻的大小選擇適當,便可得到滿意的補償。例如,對鉑老一鉑熱電偶,其冷端溫度在0~100℃間變化的平均熱電動勢為6uV/C,已知銅的電阻溫度系數a=0.004/℃,故全補償的條件可寫為

b(mA)×Rcu (Q) ×0.004/ (C) =6 (pV/℃)

若/=0.5mA,則求得Rcu=32。

當然,嚴格地說,熱電動勢的溫度特性是非線性的,而銅電阻的特性卻接近線性,兩者不可能取得完全的補償。但實際使用中,由于冷端溫度變化范圍不大,這樣的補償已經可以滿意了。

圖1-9橋路的右半邊是零點調整(亦稱零點遷移)電路。由另一高電阻R確定的恒值電流/流過可變電阻RA,在它上面建立的電壓與熱電動勢E及冷端溫度補償電動勢串聯。這不僅可以抵消銅電阻上的起始壓降,且可自由地改變橋路輸出的零點。調整輸出零點的必要性對采用活零點的DDZ—Ⅲ型儀表來說是很容易理解的,因為在DDZ—Ⅲ型儀表中,標準信號是4~20mA,即以滿幅度輸出的20%代表信號的零值。因此在溫度變送器中,當熱電動勢為零時,應由輸入橋路提供滿幅度電壓的20%,建立輸出的起點。

熱電偶溫度變送器的原理解析及抗干擾設計方案

較大幅度的調整零點,即所謂進行零點遷移,不管對DDZ—Ⅲ還是其他系列的變送器都是需要的。有些生產裝置的參數變化范圍很窄,例如,某點的溫度總在500~1000℃間變化,因此希望對500°℃以下的溫度區域不予指示,而給工作區域以較高的檢測靈敏度。此時可通過零點遷移裝置,配合靈敏度調節,實現星程壓縮。為了說明方便,下面舉一個以0~10mA電流為標準信號的變送器例子,如圖1-10所示。圖1-10 (a)為零點不遷移的情況。圖1-10 (b)為通過零點遷移裝置,給熱電動勢反向加上一個相當于500℃的附加電動勢,這樣,只有當溫度超過500℃時,變送器才有輸出;由于靈敏度未變,輸入/輸出特性只是向右平移,其輸出電流O~10mA所對應的溫度范圍仍為1000℃。圖1-10 (c)的情況是在零點遷移500℃以后,又把靈敏度提高一倍,這樣,變送器不僅反映的起始溫度變了,而且量程范圍也變成為500~1000℃,在這個溫度范圍內變送器可得到較高的靈敏度。

溫度變送器的零點遷移

圖1-10溫度變送器的零點遷移

2.放大電路

由于熱電偶的電動勢數值很小,一般只有十幾毫伏或幾十毫伏,因此將它變換為高電平輸出必須經過多級放大??紤]到熱電動勢是直流信號,變送器中的放大器必須是高增益和低漂移的直流放大器。其電壓增益一般約需104~105倍,零點漂移必須小于幾微伏或幾十微伏。變送器的量程愈小,對自身的零點漂移要求愈嚴格。例如,對一個滿量程為3mV的溫差變送器,如果自身的零點漂移超過10uV,那么僅這一項誤差就超過0.3%,再考慮其他因素,這樣的變送器就很難達到0.5級的精度。

除了對增益和零點漂移的要求以外,溫度變送器中的放大器還必須具有較強的抗干擾,特別是抗共模干擾的能力。因為測量元件和傳輸線上經常會受到各種電磁干擾,例如,用熱電偶測量電爐溫度時,熱偶絲可能與電熱絲靠得很近;在800℃以上的高溫下,耐火磚及熱電偶瓷套管的絕緣電阻會降得很低。這樣,電熱絲上的工頻交流電便會向熱電偶泄漏,使熱電偶上出現幾伏或幾十伏的對地干擾電壓,這種在兩根信號線上共同存在的對地干擾電壓稱為共模干擾或縱向干擾。除了這種干擾形式外,在兩根信號線之間更經常地存在電磁感應、靜電耦合以及電阻泄漏引起的差模干擾。由于這種干擾表現為兩根信號線之間的電壓差,所以也稱為線間干擾或橫向干擾。

關于差模干擾,由于在一般實驗室儀器及電子線路的調試中都會碰到,人們對它是比較熟悉和重視的。它常常導致放大器飽和、靈敏度下降、零點偏移,甚至使放大器不能正常工作。但在溫度變送器中,考慮到熱電偶信號的變化很慢,可以從頻率上把測量信號與干擾區別開來,或者在變送器的輸入端用濾波器等加以抑制。

對控制儀表來說,具有特殊性的是,它常受到幅度很大的共模干擾的作用,這一點往往被人們所忽視。其實共模干擾在一定的條件下很容易轉化為差模干擾,同樣會影響儀表的正常工作。例如,圖1-11 (a)中,作用在熱電偶上的共模干擾ecm經兩根傳輸線送到變送器輸入端時,由于線路阻抗Z、與變送器輸入阻抗Z、Z4的分壓作用,將在A、B兩點間形成如下的差模干擾電壓;

溫度變送器受到的共模干擾

圖1-11熱電偶溫度變送器受到的共模干擾

由此可知,要使共模干擾不轉化為差模干擾,必須使阻抗Z、Z、Z、Z4組成的電橋平衡,即必須滿足Z:Z=Z2∶Z4。這樣的條件并不容易實現,因為這些阻抗值都是隨使用條件變化的參數,例如,線路阻抗Z1、Zz除隨傳輸線長短變化外,由于包含冷端溫度補償電路和零點遷移電路等,常隨使用狀況而變化。再考慮到共模干擾的頻譜很寬(從直流到極高的高頻),上述的橋路平衡條件不可能在所有的頻率上完全滿足。

抑制共模干擾的一個有效辦法是把儀表浮空,也就是把變送器內的零線和大地絕緣。采取這種措施后的儀表等效電路如圖1-11(b)所示。圖中Z;,表示變送器零線與大地之間的絕緣阻抗。顯然,如果→co,那么共模干擾電壓ecm在阻抗Z、Z4上的分壓都趨于零,兩者之間的壓差UAg必為零,可以有效地抑制共模干擾向差模干擾的轉化。圖1-12所示的方框圖就是按這種思想設計的一種變送器方案??紤]到作為變送器負載的調節器、記錄儀等常需要接地,圖中變送器用隔離變壓器分為互相絕緣的前后兩部分,其中輸入及放大電路部分與檢測元件相連,但對地浮空;另一部分檢波輸出電路與負載相連,可根據需要接地或不接地。工作時,熱電動勢直流信號先經放大電胳放大,然后由變流器變換成交流方波,經輸出變壓器T以磁通耦合方式傳遞給檢波輸出電路。同樣,電源和輸出電流反饋也分別通過變壓器T.和T送給放大電路。這樣,只要這些隔離變壓器的絕緣電阻足夠大,同時使通過變壓器的信號調制頻率足夠高,那么,變壓器繞組之間以及繞組對地的分布電容就可以做得比較小(在DDZ—Ⅲ型溫度變送器中電源和信號調制頻率都在10~20kHz左右),因而對直流或50Hz干擾來說,可以認為浮空是相當徹底的,能有效地抑制這一頻段的共模干擾向差模干擾的轉化。

變送器的抗干擾措施

圖1-12熱電偶溫度變送器的抗干擾措施

3.反饋電路

為了克服放大電路的非線性及增益、負載變化等引起的誤差,溫度變送器都采用閉環方式構成。這時只要保持輸入及反饋環節的參數穩定,在放大電路增益足夠高時,其閉環傳遞函數可保證十分穩定。圖1-12中,為了抑制輸出變壓器T的磁路非線性及輸出負載變化引起的誤差,反饋電壓取自輸出變壓

器T,的副邊,并用電流互感器T;直接反饋負載電流的大小作為反饋信號。

溫度變送器的線性化方法

圖1-13 熱電偶溫度變送器的線性化方法

考慮到大多數熱電偶的特性是非線性的,例如,鉑姥—鉑熱電偶在0~1000℃間電動勢與溫度關系的非線性約為6%,如果變送器的輸入電路和反饋電路都是線性的話,變送器的輸出將隨輸入的毫伏信號作線性變化,它與溫度的關系卻是非線性的。目前工業上使用的大多數溫度孌送器就是這樣的。但在DDZ—Ⅲ型儀表的溫度變送器中,為了使輸出大小能直接與被測溫度成線性關系,以便指示及控制,在變送器的輸入或反饋電路中加入線性化電路,對測量元件的非線性給予修正。對熱電偶溫度變送器來說,因為輸入熱電動勢太小,不宜于在輸入電路中修正,都在反饋電路中采取措施,使用非線性反饋電路,如圖1-13所示。當溫度較高,熱電偶靈敏度偏高的區域,使負反饋作用強一些,這樣以反饋電路的非線性補償熱電偶的非線性,可以獲得輸出電流。與溫度T(℃)的線性關系。當然這種具有線性化機構的變送器在進行量程變換時,其反饋的非線性特性必須作相應的調整。

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