CN103308206B - 一种用于温度测量的热电阻隔离单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于温度测量的热电阻隔离单元，包括电源、输入和输出三个部分，电源部分包括电源变换电路，输入部分包括热电阻测量电路、信号调制电路和本安保护电路，输出部分包括信号解调电路和电压电流转换电路，电源部分与输入部分、输入部分与输出部分之间均设有高频变压器隔离电路。本发明直接采集温度等模拟信号转化为电信号隔离输出，采用本安保护电路和高频变压器隔离电路进行信号隔离传递、防爆和保护，电路结构简单、安全可靠，传输精度高，抗干扰性强，有效满足煤矿危险场所中信号传递的本安要求。

Description

一种用于温度测量的热电阻隔离单元

技术领域

本发明涉及本质安全型隔离装置领域，特别涉及一种用于温度测量的热电阻隔离单元，适用于煤矿井下危险侧与安全侧之间的温度信号安全传递。

背景技术

有关煤矿危险场所本安防爆隔离装置的研究和应用已有一些公开文献报道，如工业过程自动化国家工程研究中心赖兵于2001年3月在《中国仪器仪表》发表的“隔离式安全栅设计的一些体会”一文，以GS8000-EX系列本安型隔离安全栅为例，简要进行了结构和功能介绍，并着重就抗干扰性、过流保护、防静电及雷电等问题进行了说明。所设计产品在实现基本功能的基础上，考虑产品的实际工作环境以及一些会出现的异常和突发情况，在电路的抗干扰性、防静电及雷电等辅助保护电路上做了大量工作，提高了产品的安全可靠性。但是，文章只是一个针对系列产品的通用介绍，简要讲述了普遍涉及的限流限压措施和变压器组成，并没有公布其中的具体工作原理和保护电路。

专利号为201020666367.4的“隔离式安全栅”实用新型专利，针对现有隔离装置技术的不足，提供了一种防爆安全隔离安全栅。该实用新型隔离式安全栅由本安回路和非本安回路构成，在本安回路和非本安回路之间设有变压器隔离单元，本安回路中设有能量限制保护电路和变送器，在非本安回路中设有稳压电路、信号处理电路和输出电路。该隔离式安全栅无需特别本安接地，可以在危险区和安全区任何一方接地，利用变压器隔离提高了安全可靠性与信号的抗干扰能力。但是，此隔离式安全栅只是适用于电压电流信号输入的情况，并不能直接采集温度等模拟信号转化电信号隔离输出。同时，变压器隔离单元使用的只是一般变压器，很容易造成传输信号失真，损耗大，效率低，干扰强；而能量限制保护电路也只是增设了类似齐纳安全栅的限流电阻和二极管，无法保障本安保护的可靠性。特别是该专利只做了功能说明，并没有给出具体原理电路和保护措施。

发明内容

本发明的目的在于发明一种适合于煤矿危险场所温度测量的热电阻隔离单元，通过本安保护电路对电压、电流的能量进行限制并用高频变压器进行有效隔离，将危险侧热电阻采集到的温度信号隔离并转换为电信号，最终以标准信号输出，满足了煤矿危险场所中信号传递的本安需求。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种用于温度测量的热电阻隔离单元，包括电源、输入和输出三个部分，其特征在于：电源部分包括电源变换电路，输入部分包括热电阻测量电路、信号调制电路和本安保护电路，输出部分包括信号解调电路和电压电流转换电路，电源部分与输入部分、输入部分与输出部分之间均设有高频变压器隔离电路；输入部分通过热电阻测量电路的热电阻采集危险侧被测对象的温度，热电阻的阻值随温度的变化而变化，电路的输出信号也随之成线性变化，通过本安保护电路对电压、电流进行能量限制并用高频变压器隔离电路进行有效隔离，将危险侧采集到的温度信号隔离转换为标准信号输出至安全侧。

高频变压器隔离电路中采用的隔离变压器为小型高频变压器。

输入部分至少有三个端子分别接热电阻的对应端，输出部分至少有两个端子分别接标准信号接受端。

与现有技术相比，本发明直接采集温度等模拟信号转化为电信号隔离输出，采用本安保护电路和高频变压器隔离电路进行信号隔离传递、防爆和保护，电路结构简单、安全可靠，传输精度高，抗干扰性强，有效满足煤矿危险场所中信号传递的本安要求。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为本发明的具体电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，本发明不仅局限于此。

如图1所示，本发明的一种用于温度测量的热电阻隔离单元，包括电源、输入和输出三个部分，电源部分与输入部分、输入部分与输出部分之间均设有高频变压器隔离电路，高频变压器隔离电路中采用的隔离变压器T1和T2均为小型高频变压器，达到高效、可靠隔离效果；T2输入电压为12V~15V，主要负责整个电路的供电与信号调制解调脉冲的触发，T1主要完成信号的传输与隔离。

电源部分包括电源变换电路，24V直流电经过脉冲电路的触发后，变换为12~15V交流电，通过隔离变压器T2为整个电路供电，并负责信号调制解调脉冲的触发。

输入部分包括热电阻测量电路、信号调制电路和本安保护电路，隔离变压器T2输出经整流后，为热电阻测量电路供电，将危险侧PT100采集的温度信号转化为4~20mA电流信号，信号调制电路将所采集到的信号调制到隔离变压器T1上，隔离后传送至安全区。同时，输入部分的本安保护电路通过限流、限压、快速切断等能量限制手段，有效地将危险侧能量控制在安全范围内，达到系统的本安防爆性能要求。

热电阻测量电路利用热电阻采集危险区域的被测对象温度，温度不同，对应热电阻阻值不同，输出电流也不同，所测温度与输出电流呈线性关系。根据所测温度范围，设定电路内的调零电阻为最低温度时热电阻阻值，采集到温度后，电路将阻值与调零电阻对比，相等时输出最小电流4mA，热电阻阻值越大，输出电流越大，最大温度时输出最大电流20mA。

输出部分包括信号解调电路和电压电流转换电路，信号解调电路在解调脉冲的触发下将隔离变压器T1传递过来的信号解调，通过电压电流转换电路，还原为4~20mA电流信号并输出。

输入部分通过热电阻测量电路的热电阻采集危险侧被测对象的温度，热电阻的阻值随温度的变化而变化，电路的输出信号也随之成线性变化，通过本安保护电路对电压、电流进行能量限制并用高频变压器隔离电路进行有效隔离，将危险侧采集到的温度信号隔离转换为标准信号输出至安全侧。其中，输入部分至少有三个端子分别接热电阻的对应端，输出部分至少有两个端子分别接标准信号接受端。

如图2所示，为本发明的具体电路图。电源部分的电源变换电路包括：电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7，电解电容E1、电感L1、L2，二极管D1、D2，发光二极管LD1、MOS管Q1、Q2，集成电路U1、U2。电阻R1左端接电源的+端，另一端接电容C1上端，起限流保护作用。二极管D1-端接电源-端，+端接电容C1下端，二极管D1起防反接作用。电感L1的左端接电容C1上端，右端接电解电容E1上端，电感L2的左端接电容C1下端，右端接电解电容E1下端，电容C1、电感L1、电感L2组成EMC/EMI滤波电路，能够有效滤除差模干扰。电阻R2左端接电解电容E1上端，右端接集成电路U1的3端。电阻R4和电容C2并联，一端接集成电路U1的1端，另一端接电阻R5上端。电阻R3一端接集成电路U1的2端，另一端接集成电路U1的1端。通过调节电阻R3、R4、R5的大小，可以将集成电路U1的输出稳定在12~15V。二极管D2的+端接电阻R5的下端，-端接集成电路U1的2端，电容C3与其并联。电阻R7上端接电容C3的上端，下端接发光二极管LD1上端，发光二极管LD1下端接电源-端，发光二极管LD1起到通电指示灯的作用。电阻R6左端接电阻R7的上端，右端接变压器T2的1端，起共地的连接作用。电容C4左端接电阻R8右端，右端接集成电路U2的1端，电阻R8左端接集成电路U2的3端，右端接集成电路U2的2端。集成电路U2的4、5、6、7、8、9、12端相连，与电阻R5下端共地。集成电路U1的2端接集成电路U2的14端，为集成电路U2供电。电阻R9左端接集成电路U2的11端，右端接电容C5左端。电容R10接集成电路U2的10端，右端接电容C6左端。电阻R11上端接电容C5右端，下端与电阻R5下端共地。电阻R12上端接电阻R11下端，下端接电容C6右端。MOS管Q1栅极接电阻R11上端，漏极接变压器T2的2端，源极接电容C7左端。MOS管Q2栅极接电阻R12下端，漏极接变压器T2的3端，源极接电容C7左端。电容C7左端接电阻R11下端，右端接变压器T2的1端。上电后，通过电阻R8和电容C4的调节，集成电路U2产生频率可调的方波脉冲，控制MOS管Q1、Q2交替导通，将12~15V电转化为交流电，通过变压器T2为整个电路供电。电容C5、电容C6、电容C7为滤波电容。

输入部分的热电阻测量电路包括：电阻R13、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R27，电位器RW1、RW2，电容C8、C9、C10、C11、C15，电解电容E2、电感L3、L4，电感L5、二极管Q4、Q3，三极管Q11、集成电路U3。信号调制电路包括：电阻R23、R24、R25、R26，电容C12、C13、C14，MOS管Q3、Q6。本安保护电路包括：电阻R14、稳压管D7、TVS管D3、D4、D5、D6，熔断器F1。二极管Q4、二极管Q3内部均是两个二极管的串联，二极管Q4、二极管Q3并联，电解电容E2、电阻R27、电容C15并联，二极管Q4-端接电解电容E2的+端，二极管Q4+端与电解电容E2的-端共地，这个输入部分的地与电源部分的地不是一个。二极管Q4的中间端接变压器T2的13端，二极管Q3的中间端接变压器T2的12端。电阻R22下端接电解电容E2的+端，电阻R22上端接熔断器F1下端，熔断器F1上端接集成电路U3的10端。经过二极管Q4、Q3的整流，隔离变压器T2将电源部分传送来的12~15V交流电转变为直流电，为集成电路U3供电。稳压管D7的+端接集成电路U3的7端，-端接集成电路U3的10端，电容C11与稳压管D7并联。熔断器F1和稳压管D7作为本安保护器件，起到了快速切断和稳压作用。三极管Q11的基极接集成电路U3的9端，发射极接集成电路U3的8端，集电极接集成电路U3的10端。电感L3左端接端子9，右端接TVS管D3上端，电感L4左端接端子10，右端接TVS管D3下端，电感L5左端接端子11，右端接TVS管D4下端，TVS管D4上端接TVS管D3下端。端子10、11、12外接热电阻PT100。电阻R14左端接TVS管D4下端，右端接电位器RW2一端，电位器RW2的另一端接集成电路U3的1端。电阻R13左端接电感L4的右端，右端接TVS管D6的+端，TVS管D6的-端接集成电路U3的1端。TVS管D5的+端接TVS管D6的+端，-端接电感L3的右端。电阻R14和TVS管D3、D4、D5、D6构成的本安保护部分限制大电压、大电流进入安全侧。电阻R15左端接电感L3右端，右端接集成电路U3的12端。电阻R16左端接集成电路U3的12端，右端接集成电路U3的1端。电阻R17左端接集成电路U3的14端，右端接集成电路U3的13端。电阻R20左端接电位器RW1，右端接集成电路U3的4端，电位器RW1的另一端接集成电路U3的3端。电阻R18左端接集成电路U3的1端，右端接集成电路U3的2端。电容C9接在集成电路U3的2端和6端之间。电容C10接在集成电路U3的6端和13端之间。电阻R21接在集成电路U3的7端和地之间。热电阻采集温度信号转化为电阻值后，通过电流转换集成电路U3变换为4~20mA电流信号。集成电路U3内部具有两路0.8mA精密电流源，用于激励铂热电阻，将阻值转换为电流输出，并对铂热电阻PT100计算式中的温度二次项进行线性补偿。电位器RW2为调零电阻，用于调节测量电路的下限，即保证在温度下限时输出为4mA；集成电路U3的3、4引脚之间所接电阻为调满电阻，调节调满电阻可以改变集成电路U3内部放大倍数，即调节量程；电阻R19提供一个共模电压，以便在它们的正常模式下偏置集成电路U3的输入，与电容C8并联可以减少正常模式下的噪声；而电阻R15、电阻R16用于提供反馈，校正热电阻的非线性。电容C9、电容C10作为旁路电容起到减少射频干扰的作用，集成电路U3的6引脚可看做集成电路的“地”。三极管Q11传导4~20mA依赖性回路电流信号的大部分，可隔离大部分由于精确输入和集成电路U3引起的功率消耗，以维持良好的精度。

集成电路U3的电压-电流转换公式为

式中，RG是调满电阻，是差分输入电压，计算公式为

式中，为PT100采集温度对应阻值，RZ是调零电阻

调零电阻=RW2=80.3Ω（隔离单元温度量程下限-50℃时PT100对应阻值）

、、的计算公式为

式中，1kΩ；=175.9Ω（隔离单元温度量程上限200℃时PT100对应阻值）；

=129Ω（隔离单元温度量程中间值(-50℃+200℃)/2=75℃时PT100对应阻值）

电阻R23的左端接变压器T2的10端，右端接电容C12的左端，电容C12的右端接电阻R25的上端。电阻R24的左端接变压器T2的9端，右端接电容C13的左端，电容C13的右端接电阻R26的上端。电阻R25下端、电阻R26下端与变压器T2的11端共地。MOS管Q6栅极接电阻R25上端，漏极接变压器T1的2端，源极接电容C14左端。MOS管Q5栅极接电阻R26上端，漏极接变压器T1的3端，源极接电容C14左端，电容C14右端接变压器T1的1端，并与集成电路U3的7端相联。信号调制电路中变压器T2输出的高频方波信号控制MOS管的导通关断，从而将集成电路U3送来的采样信号调制到变压器T1上。电容C12、C13、C14均为滤波电容。

输出部分的信号解调电路包括：电阻R28、R29、R30、R31，电容C16、C17、C18，MOS管Q8、Q7。电压电流转换电路包括：电阻R32、R33、R34、R35，电容C19、C20、C21，电解电容E3、电感L6、L7，二极管Q10、Q9，集成电路U4、U5。MOS管Q8栅极接电容C17右端，漏极接变压器T1的5端，源极接电阻R28右端。MOS管Q8栅极接电容C18右端，漏极接变压器T1的6端，源极接电阻R29右端。电阻R28右端、电阻R29右端与变压器T2的6端相联。电阻R30的左端接变压器T2的8端，右端接电容C17的左端，电容C17右端接电阻R28左端。电阻R31的左端接变压器T2的7端，右端接电容C18的左端，电容C18右端接电阻R29左端。电容C16左端接变压器T2的6端，右端接变压器T1的4端。信号解调电路通过变压器T2提供高频解调脉冲，控制MOS管的通断，将调制信号解调。二极管Q10、Q9内部均是两个二极管的串联，二极管Q10、Q9并联，二极管Q10-端接集成电路U4的4端，二极管Q10+端接电容C19左端，二极管Q10的中间端接变压器T2的5端，二极管Q9的中间端接变压器T2的4端。集成电路U5的基极接电阻R32右端，发射极接变压器T1的4端，集电极接集成电路U4的4端，电阻R32左端接集成电路U4的1端。集成电路U4的2端接变压器T2的6端，3端接变压器T1的4端，5端接地，输出部分的地不同于前两个的地。电容C20接在集成电路U4的3端和5端之间。电容C19左端接电解电容E3-端，右端接电阻R33左端，电解电容E3+端接电阻R33右端，并与集成电路U4的4端相联。电阻R34左端接电感L6右端，右端接集成电路U4的3端，电感L6左端接电阻R35右端。电感L7左端接地，右端接电容C19左端。电容C21上端接电阻R35左端，下端接电感L7左端。电容C21上端为输出信号+端，地为输出信号-端。经过电压电流转换电路，危险侧热电阻所采集温度信号转换为4~20mA电流输出至安全侧。

Claims (1)

1.一种用于温度测量的热电阻隔离单元，包括电源、输入部分和输出部分，其特征在于：所述电源与输入部分、输入部分与输出部分之间均设有高频变压器隔离电路，所述高频变压器隔离电路所采用的隔离变压器T1和T2均为小型高频变压器，T2主要负责整个电路的供电与信号调制解调脉冲的触发，T1主要完成信号的传输与隔离；

电源部分包括电源变换电路，通过隔离变压器T2为整个电路供电，并负责信号调制解调脉冲的触发；

输入部分包括热电阻测量电路、信号调制电路和本安保护电路，隔离变压器T2输出经整流后，为热电阻测量电路供电，将危险侧PT100采集的温度信号转化为标准信号，所述信号调制电路将所采集到的信号调制到隔离变压器T1上，隔离后传送至安全区；所述本安保护电路通过限流、限压、快速切断的能量限制手段，有效地将危险侧能量控制在安全范围内，达到系统的本安防爆性能要求；所述热电阻测量电路利用热电阻采集危险区域的被测对象温度，温度不同，对应热电阻阻值不同，输出电流也不同，所测温度与输出电流呈线性关系，根据所测温度范围，设定电路内的调零电阻为最低温度时热电阻阻值，采集到温度后，电路将阻值与调零电阻对比，相等时输出最小电流，热电阻阻值越大，输出电流越大，最大温度时输出最大电流；

输出部分包括信号解调电路和电压电流转换电路，信号解调电路在解调脉冲的触发下将隔离变压器T1传递过来的信号解调，通过电压电流转换电路，还原为电流信号并输出。