CN2580406Y - 自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路。该电路由一路热电阻信号调理电路、一路角位移信号调理电路和一路电桥信号调理电路组成。热电阻信号调理电路由XTR105转换芯片同外围元件构成置零、调满度、电流输出电路。角位移信号调理电路由转换芯片XTR110同外围元件构成电源控制电路及电流输出电路，载荷信号调理电路由算放大器INA114及其外围元件构成输入电路，由转换芯片XTR110、三极管和场效应晶体管构成转换电路及电流输出电路。该电路将一路热电阻信号、一路角位移信号、一路电桥信号转变为4～20mA的标准电流信号，测量精度高，在满量程时为±5‰。

Description

自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路

技术领域

本实用新型涉及一种调理电路，特别是指一种工业过程自动化控制终端设备，将现场温度仪表热电阻、位移传感器、负荷传感器传来的信号调理成标准信号的自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路，特别适合于石化、给排水、电力、冶金等领域的工业过程自动化控制终端设备进行现场温度测量、位移量、载荷测量，并将温度仪表热电阻信号及位移、负荷传感器接收的载荷信号转换为4～20mA电流信号传给模拟量输入电路，完成温度信号及位移信号、载荷信号的测量。

背景技术

目前，在我国应用于工业自动化领域控制设备中将温度仪表热电阻及角位移传感器的角位移信号、负荷传感器的载荷信号组合调理成标准信号的电路，采用多级运放处理信号，不但元器件数量多，需要正负电源。其不足之处是适应环境能力差，测量精度不高，而且大多数调理模块功能单一，给实际操作带来很大不便。

发明内容

本实用新型的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提出的一种自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路，它具有一路热电阻输入，一路角位移信号输入、一路载荷(电桥)信号输入，将现场的温度热电阻传感器、角位移传感器、负荷传感器传来的信号调理成标准的4～20mA的信号，测量精度高，操作方便。

本实用新型的目的可以通过以下措施来达到：

一种自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路，

该电路由一路热电阻信号调理电路、一路角位移信号调理电路和一路载荷信号调理电路组成，电路连接构成如下：

热电阻信号调理电路：XTR105转换芯片的管腿10V+接入电源24V+，同时通过接入并联的瞬变二极管D1、C1、C2到地，管腿7Io为标准输出电流，接入RAO端，同时通过接入瞬变二极管D2 P6KE33A接地，在电源输入和标准电流输出之间并联一个电容C3，管腿10V+端接入三极管Q1的集电极，三极管的基极接转换芯片U1 XTR105的管腿9B，三极管的发射极接U1的管腿8E；

U1管腿12Vlin通过串联的电阻R3、电位器W2和电阻R4接至热电阻RTD的E端及通过电阻R2接至热电阻RTD S+端，管腿13Vin+、14Ir2接入RTD S+端，R7、C2并联组成的阻容滤波器两端接入XTR105的管腿6Iret和热电阻RTD S一端，XTR105的两个管腿3、4Rg接入由电位器w1、电阻R1组成的调满度电路，管腿2接入电位器W2的可变点；

角位移信号调理电路：转换芯片XTR110 U5的管腿16VCC+接入24V+端、两个并联的电容C5、C6组成的滤波电路接电源地和三极管Q4的集电极，U5管腿15VF接入三极管Q4 S9013的基极，Q4的发射极通过电阻R6同U5管腿12VS相接和通过稳压二极管WYG1向角位移传感器供电，角位移量输入端WAI接入U5的管腿5Vin端；角位移传感器的另一端接地，管腿14接入场效应管Q5 IRF9630的G端，管腿1、13一同接入Q5的D端，Q5的S端为输出端，接入WAO端，同时通过接入瞬变二极管D3接地。其转换芯片XTR110 U5的管腿管腿2、3、4、9、10接电源地；

载荷信号调理电路：

在电桥的两个输出端分别接串联的电阻R12、电位器w4和电阻R11，接入运算放大器U3 INA114管腿2Vin-、3Vin+，U3两个管腿1、8Rg之间接入由电位器w3、电阻R8组成的调满度电路；

电源24V接入转换芯片U2 XTR110的管腿16VCC、并联的电容C9、C10到地和三极管Q2的集电极，管腿15VF接入三极管Q2基极，三极管Q2的发射极通过电阻R7接至电桥的输入端、电位器w4的可变点、运算放大器U3 INA114管腿的管腿7、并联的电容C7、C8到地、U2的管腿12VS，电桥的另输入端接电源24V的地，U2的管腿12VS接电阻R9与电位器w5接入运算放大器U4 OPA177的正输入端和通过电阻R10到地，其U4负输入端2与输出端6out相连后一并接入U3的管腿5REF，U3的输出端6接入U2的管腿5Vin，U3、U4的管腿4和U2的管腿2、3、4、9、10接地；

U2管腿14接入场效应管Q3的G端，U2管腿1、13一同接入Q3的D端，Q3的S端为输出端，接入PAO端，同时通过接入瞬变二极管D4接地。

本实用新型相比现有技术具有如下优点：

该自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路，将一路热电阻信号、一路角位移信号、一路电桥信号转变为4～20mA的标准电流信号。热电阻信号的测量范围80.3Ω～175.8Ω(用Pt100型热电阻时对应-50℃～200℃)。激励位移电压为+5V，输入信号电压范围为0V～5V。激励电桥电压+10V，电桥电阻700Ω，输入信号电压范围为0mV～20mV。该电路已经制成了模块，安装方便快捷；由于电路设计考虑了电压适用范围及测量精度，可工作在13.5V～36V，测量精度在满量程时均为±5‰。

附图说明

图1.自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路图。

具体实施方式

请参考图1自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路图，该电路由XTR105转换芯片、XTR110转换芯片、运算放大器、场效应管、三极管、调零、调满度电路等组成。

该电路由一路热电阻信号调理电路、一路角位移信号调理电路、一路电桥信号调理电路组成。由外部提供24VDC电源。外接热电阻均为三线制热电阻，该电路通过16芯插座与外接热电阻和角位移传感器、载荷传感器电桥相连。

热电阻信号调理电路：XTR105转换芯片的管腿10V+接入电源24V+，管腿7Io为标准输出电流，接入RAO端，同时通过接入瞬变二极管D2 P6KE33A接地；在电源输入和标准电流输出之间并联一个电容C3，用于过滤电源干扰电平；管腿10V+端接入三极管Q1的集电极，三极管的作用是提高标准输出电流的能力，三极管的基极接转换芯片U1 XTR105的管腿9B，三极管的发射极接U1的管腿8E；U1管腿1Ir1和管腿2Vin-通过电位器、电阻与热电阻RTD E端相接，XTR105的Ir1及Ir2两个管腿提供0.8mA的恒流源；管腿13Vin+、14Ir2接入RTD S+端，XTR105转换芯片的管腿12Vlin通过一个电阻接入RTD S+端，R7、C2并联组成的阻容滤波器接入XTR105的管腿6Iret；XTR105的两个管腿3、4Rg接入由电位器w1、电阻R1组成的调满度电路。

XTR105转换芯片的管腿Ir1和Ir2为恒流源，在这两点之间接入一个电阻，出来两路电流为0.8mA分别驱动RTD热电阻、电位器w2和电阻R4组成的置零电路，XTR105转换芯片的放大器输出端测量出RTD热电阻和置零电位器w2之间的不同电压值。置零电位器w2的意义所在就是被选择用来等同于RTD热电阻在最低测量温度时的电阻，电阻R4和电位器w2能调节使最低测量温度达到4mA时的输出来校正XTR105转换芯片的电压和参考电流的匹配。两个管腿Rg连接的调满度电路就是在测量最高温度时保证其输出为20mA。电阻R5提供了一个附加的压降使XTR105转换芯片的输入接近于它们通常模式下的输入范围。电阻R5并联了一个电容C2以使通常模式下的干扰降到最低。

角位移信号调理电路：转换芯片XTR110 U5的管腿16VCC+接入24V+端，同时通过接入两个并联的电容C5、C6组成的滤波电路接电源地；U5管腿15VF接入三极管Q4 S9013的基极，24V的电源接入Q4的集电极，Q4的发射极通过电阻R6同U5管腿12VS相接，通过稳压二极管为外部角位移传感器提供5V电源，当输出为高电平时，三极管Q4导通，24V的电源接入Q4的集电极，通过Q4的发射极为角位移传感器供电，Q4保证外接角位移传感器5V的驱动能力；角位移量输入端WAI接入U5的管腿5Vin端；管腿14接入场效应管Q5 IRF9630的G端，管腿1、13一同接入Q5的D端，Q5的S端为输出端，输出4-20mA的电流，接入WAO端，同时通过接入瞬变二极管D3 P6KE33A接地。其管腿2、3、4、9、10接电源地。

载荷信号调理电路：在电桥的两个输出端通过并联两个电阻R12、R11与一个电位器w4，用电位器w4调节电桥平衡，尽量使电桥的差模电压为零，分别接入运算放大器U3 INA114管腿2Vin-、3Vin+；U3两个管腿1、8Rg之间接入由电位器w3、电阻R8组成的调满度电路；转换芯片U2XTR110由外部提供24V电源，接入该芯片管腿16VCC；管腿15VF接入三极管Q2 C9013基极，当输出为高电平时，使三极管导通，24V的电源接入Q2的集电极，通过Q2的发射极为运算放大器U3 INA114供电，Q2保证U3 10V的驱动能力；U2的管腿12VS通过电阻R9与电位器w5接入运算放大器U4 OPA177的正输入端，其负输入端与输出端out相连后一并接入U3的管腿5REF，为该芯片提供1V的基准，U3的输出端接入U2的管腿5Vin，提供5V的输入，U2管腿14接入场效应管Q3IRF9630的G端，管腿1、13一同接入Q3的D端，Q3的S端为输出端，输出4-20mA的电流，接入PAO端，同时通过接入瞬变二极管D4P6KE33A接地。其管腿2、3、4、9、10及U3的V-端、U4的V-端接桥式传感器的电源地，即输入信号地与输出电信号地共接一点，误差最小，干扰更少。

该自动化控制终端的热电阻、角位移量、载荷组合信号调理电路将一路热电阻信号，一路角位移量、一路电桥信号转变为4～20mA的标准电流信号。热电阻信号的测量范围80.3Ω～175.8Ω(用Pt100型热电阻时对应-50℃～200℃)。激励位移电压为+5V，输入信号电压范围为0V～5V。激励电桥电压+10V，电桥电阻700Ω，输入信号电压范围为0mV～20mV。一般来说，它的输出与I/O系统中的模拟量输入模块相连。

该自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路，已制成模块，本厂编号和名称为E314温度、角位移、载荷信号组合调理模块，现说明如下：

热电阻、角位移、载荷组合信号调理模块外形尺寸为：(长)118mm×(宽)108mm×(高)44mm，采用ECHO B型模块封装壳体。安装在7.5mm×35mm的DIN导轨上，连接到系统I/OBUS总线上。

E314提供了一路热电阻信号转换、一路角位移量转换和一路电桥信号转换，其中热电阻均为三线制热电阻。输出为4～20mA的标准电流信号。其测量范围在出厂时被设置。在接线时应注意信号线的顺序。模块使用接线端子与外围电路连接，推荐使用22～12AWG的标准电线。

现说明该E314热电阻、角位移量、载荷信号组合调理模块应用实例，现以ECHO抽油机控制器为例，说明E314热电阻、角位移、载荷信号组合调理模块的工作过程及作用，ECHO抽油机控制器是一种应用于油田自动化的远程控制装置。其主要目的是在油田抽油井现场实现对抽油机的控制，具有检测、控制、报警、通讯等功能。它是由主控电路、模拟量输入电路、数字量输入输出电路、信号组合调理电路(E314)、串口扩展电路、电源电路及电台、显示屏、继电器、端子等组成。

组合信号调理模块(E314)将一路热电阻信号、一路角位移量和一路载荷(电桥)信号经转换后输出3路4-20mA直流电流信号，第一路热电阻输入通过端子与现场油温测量的热电阻相接，其输出接入模拟量输入模块；角位移量的输入通过端子与现场的角位移传感器相接，其输出接入模拟量的输入模块；载荷量的输入通过端子与现场载荷测量的传感器相接，其输出接入模拟量的输入模块。模拟量、数字量输入模块将不断采集的模拟和数字信号，经数据总线传到主控制器，主控制器对数据进行处理和计算，将结果产生相应的输出控制信号传给数字量输出模块，经中间继电器控制抽油机的运行状态。

现场应用表明，E314温度、角位移、载荷组合调理模块具有应用灵活、精度高、可靠性高、安装使用方便等特点、并可应用于-40℃～70℃的环境温度。适用于野外恶劣的工业现场环境。

Claims (1)

1.一种自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路，其特征在于：

该电路由一路热电阻信号调理电路、一路角位移信号调理电路和一路载荷信号调理电路组成，电路连接构成如下：

热电阻信号调理电路：XTR105转换芯片的管腿10V+接入电源24V+，同时通过接入并联的瞬变二极管D1、C1、C2到地，管腿7Io为标准输出电流，接入RAO端，同时通过接入瞬变二极管D2 P6KE33A接地，在电源输入和标准电流输出之间并联一个电容C3，管腿10V+端接入三极管Q1的集电极，三极管的基极接转换芯片U1 XTR105的管腿9B，三极管的发射极接U1的管腿8E；

U1管腿12Vlin通过串联的电阻R3、电位器W2和电阻R4接至热电阻RTD的E端及通过电阻R2接至热电阻RTD S+端，管腿13Vin+、14Ir2接入RTD S+端，R7、C2并联组成的阻容滤波器两端接入XTR105的管腿6Iret和热电阻RTDS一端，XTR105的两个管腿3、4Rg接入由电位器w1、电阻R1组成的调满度电路，管腿2接入电位器W2的可变点；

角位移信号调理电路：转换芯片XTR110 U5的管腿16VCC+接入24V+端、两个并联的电容C5、C6组成的滤波电路接电源地和三极管Q4的集电极，U5管腿15VF接入三极管Q4 S9013的基极，Q4的发射极通过电阻R6同U5管腿12VS相接和通过稳压二极管WYG1向角位移传感器供电，角位移量输入端WAI接入U5的管腿5Vin端；角位移传感器的另一端接地，管腿14接入场效应管Q5 IRF9630的G端，管腿1、13一同接入Q5的D端，Q5的S端为输出端，接入WAO端，同时通过接入瞬变二极管D3接地。其转换芯片XTR110 U5的管腿管腿2、3、4、9、10接电源地；

载荷信号调理电路：

在电桥的两个输出端分别接串联的电阻R12、电位器w4和电阻R11，接入运算放大器U3 INA114管腿2Vin-、3Vin+，U3两个管腿1、8Rg之间接入由电位器w3、电阻R8组成的调满度电路；

电源24V接入转换芯片U2 XTR110的管腿16VCC、并联的电容C9、C10到地和三极管Q2的集电极，管腿15VF接入三极管Q2基极，三极管Q2的发射极通过电阻R7接至电桥的输入端、电位器w4的可变点、运算放大器U3 INA114管腿的管腿7、并联的电容C7、C8到地、U2的管腿12VS，电桥的另输入端接电源24V的地，U2的管腿12VS接电阻R9与电位器w5接入运算放大器U4 OPA177的正输入端和通过电阻R10到地，其U4负输入端2与输出端6out相连后一并接入U3的管腿5REF，U3的输出端6接入U2的管腿5Vin，U3、U4的管腿4和U2的管腿2、3、4、9、10接地；

U2管腿14接入场效应管Q3的G端，U2管腿1、13一同接入Q3的D端，Q3的S端为输出端，接入PAO端，同时通过接入瞬变二极管D4接地。

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