礦用多功能熱電阻型隔離安全柵設(shè)計(jì)

摘要:針對(duì)常見熱電阻型隔離安全柵存在的抗干擾性差、集成度低、功能單一等問題，設(shè)計(jì)了一種礦用多功能熱電阻型隔離安全柵。該安全柵利用帶有2路互相隔離輸出的DC/DC隔離電源模塊分別為安全側(cè)和危險(xiǎn)側(cè)電路供電,結(jié)合信號(hào)的光耦隔離實(shí)現(xiàn)供電側(cè)、危險(xiǎn)側(cè)和安全側(cè)的三端隔離,具有熱電阻二次非線性誤差修正、熱電阻傳感器斷線故障報(bào)警、帶遲滯的高溫報(bào)警及電壓電流信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換等功能。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明:2路熱電阻可同時(shí)工作,閾值比較電路動(dòng)作穩(wěn)定;隨著輸入溫度升高,輸出電流基本呈線性增加，線性度高達(dá)0.15%,對(duì)應(yīng)模擬量輸出傳輸處理誤差低于0.5%,符合相關(guān)規(guī)定要求;有效抑制了尖峰脈沖及各種噪聲的干擾,具有較好的抗干擾性;最大相對(duì)誤差僅為0.667%,低于同類型的XX6071型安全柵。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了該安全柵溫度測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,高溫報(bào)警動(dòng)作穩(wěn)定，滿足礦用電氣設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用需求。
0引言
       隨著煤礦井下裝備自動(dòng)化程度的提高,需要檢測(cè)的信號(hào)逐漸增多,相較于防爆外殼內(nèi)的控制電路，采集信號(hào)的傳感器工作環(huán)境更加復(fù)雜和危險(xiǎn)[1]]。安全柵作為傳感器和控制電路的接口,起到了隔離危險(xiǎn)區(qū)與安全區(qū)的作用，限制了可能從安全區(qū)流入危險(xiǎn)區(qū)的能量,保證了信號(hào)的安全傳輸[2-4],被廣泛應(yīng)用于井下檢測(cè)系統(tǒng)。
       一種基于磁隔離的熱電阻型隔離安全柵,其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)試方便,但存在功能單一、集成度低等問題,且井下噪聲及設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境會(huì)對(duì)經(jīng)磁隔離的信號(hào)產(chǎn)生干擾，從而影.響設(shè)備正常運(yùn)行。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能型隔離安全柵，大大提高了溫度測(cè)量精度,但由于加入數(shù)字電路，使其復(fù)雜性提高且易受井下環(huán)境干擾。針對(duì)常見熱電阻型隔離安全柵存在的抗干擾性差、集成度低、功能單一等問題，本文設(shè)計(jì)了一種礦用多功能熱電阻型隔離安全柵，利用光隔離改善抗干擾性能，增加帶遲滯的開關(guān)量輸出及靈活的模擬量輸出類型,以兼容不同控制系統(tǒng)的要求。
1礦用多功能熱電阻型隔離安全柵總體設(shè)計(jì)
       礦用多功能熱電阻型隔離安全柵由熱電阻信號(hào)檢測(cè)電路、閾值比較電路、電壓電流轉(zhuǎn)換電路、線性光耦隔離電路、限能電路等組成，如圖1所示。其利用帶有2路互相隔離輸出的DC/DC隔離電源模塊分別為安全側(cè)和危險(xiǎn)側(cè)電路供電,結(jié)合信號(hào)的光耦隔離實(shí)現(xiàn)供電側(cè)、危險(xiǎn)側(cè)和安全側(cè)的三端隔離

       熱電阻信號(hào)檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)熱電阻二次非線性誤差修正及熱電阻傳感器斷線故障報(bào)警功能。閾值比較電路實(shí)現(xiàn)帶有遲滯比較功能的高溫報(bào)警,并通過繼電器輸出開關(guān)量。電壓電流轉(zhuǎn)換電路用于信號(hào)類型轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)0~5V信號(hào)和4~20mA信號(hào)的輸出,以兼容不同控制系統(tǒng)模擬量輸入要求。線性光.耦隔離電路采用HCNR201線性光耦實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的模擬量信號(hào)隔離傳送,光耦隔離電路實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量信號(hào)的隔離。限能電路利用快速熔斷器、瞬態(tài)抑制二極管及限流電阻等元件實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)側(cè)輸入本安保護(hù)，保證安全側(cè)能量不會(huì)竄入危險(xiǎn)側(cè)。
2電路設(shè)計(jì)
2.1熱電阻信號(hào)檢測(cè)電路
       熱電阻信號(hào)檢測(cè)電路如圖2所示。其中RRTD為PT100三線制鉑熱電阻;Rz為零電阻，其值為量程內(nèi)最低溫度時(shí)鉑熱電阻的阻值，為檢測(cè)提供比較基準(zhǔn);Rc為增益電阻,用于調(diào)整增益及量程;RINE1，RLINE2,RLINE3為三線制鉑熱電阻的引線電阻;RLuINI和RLN2為反饋電阻。

       考慮井下電氣設(shè)備實(shí)際使用環(huán)境及測(cè)量技術(shù)要求，設(shè)置安全柵溫度測(cè)量范圍為0~200°C。熱電阻阻值隨溫度的變化存在二次非線性部分，而現(xiàn)有的大部分采用橋式電路檢測(cè)熱電阻阻值的安全柵不能準(zhǔn)確地對(duì)二次非線性部分產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正[印]，這部分誤差通常采用帶有微控制器的數(shù)字電路進(jìn)行修正，因此，在安全柵這種純模擬電路中，需要通過硬件對(duì)誤差進(jìn)行修正[8-10]。考慮誤差修正、斷線報(bào)警功能和電路的集成度，本文采用XTR105芯片實(shí)現(xiàn)熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換。XTR105芯片采用量程中點(diǎn)值和.上限值作為參考點(diǎn)修正熱電阻二次非線性部分產(chǎn)生的誤差。
增益電阻Rc、反饋電阻RLIN和RLIN2的計(jì)算公式分別為
Rc=2(R2-Rz)(R1-Rz)/(R2-R1)(1)
RuNI=500(R2-R1)/(2R:-R。-Rz)(2)
RLN2=(1000+Rc)(Rz-R)/2(2R-R2一Rz)(3)
式中:R1，為量程中點(diǎn)值所對(duì)應(yīng)的熱電阻值,Ω;R2為量程上限值所對(duì)應(yīng)的熱電阻值,Ω。
RRTD和Rz由XTR105芯片內(nèi)部2路0.8mA的恒流源激勵(lì)，產(chǎn)生的電壓輸入到XTR105芯片內(nèi)部的放大器A1,A2中。XTR105芯片的輸出電流為
I0=4+40(VA1一VA2)/RG(4)
式中:I0為輸出電流,mA;VA1.和VA2分別為放大器A1和A2的正向輸入端電壓,V。
三極管Q1用于斷線報(bào)警。XTR105芯片正常輸出4~20mA信號(hào),三線制鉑熱電阻的任一線發(fā).生斷線故障都會(huì)改變Q1的工作狀態(tài)，使芯片輸出2.2mA或27mA的報(bào)警電流。
2.2閾值比較電路
       在井下一些應(yīng)用中，需要根據(jù)被測(cè)對(duì)象的溫度實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)或閉鎖等功能。現(xiàn)有熱電阻型安全柵大多無法實(shí)現(xiàn)該功能，因此，在隔離安全柵中加入閾值比較電路具有現(xiàn)實(shí)意義。閾值比較電路如圖3所示,該電路可實(shí)現(xiàn)帶遲滯的閾值報(bào)警功能,且閾值與溫度滯回區(qū)間可調(diào)。當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值后，電路輸出開關(guān)量信號(hào),且動(dòng)作帶有遲滯性，以防止比較器在閡值附近頻繁跳動(dòng)。

       圖3中,A3為運(yùn)算放大器LM358,通過連接其.輸出端與反向輸入端構(gòu)成電壓跟隨器,起到阻抗匹配作用;A4為比較器LM2904,用來比較測(cè)量電壓和閾值電壓;Rr為閾值調(diào)節(jié)電阻;R;為溫度滯回區(qū)間調(diào)節(jié)電阻。在量程為0~200C的情況下,Rr與設(shè)定閾值溫度的關(guān)系及R:與設(shè)定溫度回差的關(guān)系為
Rr=Rc(t+50)/[50(Vret-1)-t](5)
Rf=Ril(600一Ot)/△t(6)
       式中:Rc為分壓電阻,Rc=10kΩ;t為設(shè)定閾值溫度,℃;Vref為穩(wěn)壓管電壓,Vref=9.1V;Ril為比較器.輸入電阻，Ril＝10KΩ；Δt為設(shè)定溫度回差，℃。
2.3線性光耦隔離電路
       傳統(tǒng)隔離安全柵的信號(hào)隔離多采用磁隔離方式，即將信號(hào)調(diào)制輸入至隔離變壓器并在輸出側(cè)解調(diào)。這種隔離方式對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)干擾及頻繁用電動(dòng)機(jī)的環(huán)境較為敏感。本文采用抗擾性好、線性度高的線性光耦隔離方式，線性光耦隔離電路如圖４所示。

       發(fā)光二極管LED和2個(gè)光二極管PD1、和PD2組成HCNR201線性光耦。放大器A5和A6的反饋?zhàn)饔檬筁ED的光照度輸出及光二極管PD2的光電流輸出變得穩(wěn)定并具有線性特征，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)光隔離的目的。濾波電容C1=C2=100nF,用于濾除高頻干擾。電路輸入電壓與輸出電壓的比值為
Vin/Vout=KR3/R4(7)
       式中:Vin為輸入電壓,V;Vout為輸出電壓,V;K為光二極管電流比,K=1;R3和R:為增益調(diào)節(jié)電阻,Ω。
2.4限能電路
       電路中的DC/DC隔離電源模塊和光電耦合器件可承受的試驗(yàn)電壓分別為3.5kV和2.6kV,高于GB3836.4一2010《爆炸性環(huán)境第4部分:由本質(zhì)安全型“1”保護(hù)的設(shè)備》中規(guī)定的1.5kV。
限能電路位于DC/DC模塊的危險(xiǎn)側(cè)輸出端，模塊最大輸出電壓為12V，最大輸出電流為144mA，危險(xiǎn)側(cè)電路最大功率為1W。根據(jù)GB3836.4-2010《爆炸性環(huán)境第4部分:由本質(zhì)安全型“1”保護(hù)的設(shè)備》附錄表A.1和附錄圖A.1[15]中的簡(jiǎn)單電阻電路可知,12V對(duì)應(yīng)的允許短路電流為3.3A,結(jié)合歐姆定律,得到DC/DC隔離電源模塊限流電阻的取值范圍為

       式中:Vo為輸出電壓,V;IM為允許短路電流,A;R為限流電阻，Ω;Vm為負(fù)載最小允許電壓,Vm=10.8V;Pz為最大輸出功率,W;PM為最大負(fù)載功率，W.。
       由式(8)計(jì)算得到限流電阻應(yīng)大于3.6Ω2且小于84.9Ω,本文取4.72。快速熔斷器電流取值應(yīng)小于模塊最大輸出電流，本文取100mA。
3測(cè)試驗(yàn)證
3.1樣機(jī)測(cè)試結(jié)果
       在實(shí)驗(yàn)室完成了樣機(jī)調(diào)試,測(cè)試了礦用多功能熱電阻型隔離安全柵的各種功能。結(jié)果表明,2路熱電阻可同時(shí)工作,閾值比較電路動(dòng)作穩(wěn)定。
       設(shè)溫度閾值為60℃，溫度滯回區(qū)間為57~63℃,對(duì)25~75℃范圍內(nèi)的16個(gè)溫度點(diǎn)下安全柵輸出電流進(jìn)行檢測(cè),前8組測(cè)量結(jié)果見表1,數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖如圖5所示。

       從圖5可看出,隨著輸入溫度升高,輸出電流基本呈線性增加。根據(jù)GB/T18459--2001《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算方法》計(jì)算得到安全柵輸出線性度高達(dá)0.15%,對(duì)應(yīng)模擬量輸出傳輸處理誤差低于0.5%,低于AQ6201--2017《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》中的規(guī)定值1%。
       使用電磁兼容測(cè)試儀進(jìn)行電路抗干擾試驗(yàn),結(jié)果表明，礦用多功能熱電阻型隔離安全柵通過了GB/T17626-2016《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)》中.的4級(jí)靜電放電抗擾度試驗(yàn)、3級(jí)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)以及4級(jí)浪涌抗擾度試驗(yàn),抗干擾性能優(yōu)于AQ6201-2017《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》中的規(guī)定。
3.2性能對(duì)比分析
       選取一種外形及大小與測(cè)試樣機(jī)均相同的XX6071型熱電阻型隔離式安全柵進(jìn)行對(duì)比。在2級(jí)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)條件下，即在電源模塊輸入端引入電壓峰值為1kV、重復(fù)頻率為5kHz的脈沖群,采用可調(diào)電位器(阻值調(diào)節(jié)范圍為100~150Ω,間隔為5Ω)作為輸入,比較測(cè)試樣機(jī)與XX6071型安全柵的性能，結(jié)果見表2,其中最大相對(duì)誤差指實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值相對(duì)誤差的最大值。

       由表2可看出,測(cè)試樣機(jī)具有較高的集成度、多種輸出類型及更為豐富的功能，最大相對(duì)誤差僅為0.667%,低于XX6071型安全柵的0.97%。這是由于測(cè)試樣機(jī)中的模擬信號(hào)采用光電隔離，有效抑制了尖峰脈沖及各種噪聲的干擾，相較采用磁隔離的XX6071型安全柵,抗干擾性能得以提升.
4結(jié)論
(1)根據(jù)安全柵的特殊使用環(huán)境及實(shí)際應(yīng)用需要,設(shè)計(jì)了礦用多功能熱電阻型隔離安全柵。該安全柵實(shí)現(xiàn)了熱電阻二次非線性誤差修正、熱電阻傳感器斷線故障報(bào)警、帶遲滯的高溫報(bào)警及電壓電流信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換等功能，同時(shí)，利用電路的高集成度，在有限的外殼空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了2路熱電阻信號(hào)的采集輸出和2路閾值報(bào)警輸出。
(2)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明:2路熱電阻可同時(shí)工作，閾值比較電路動(dòng)作穩(wěn)定;隨著輸入溫度升高，輸.出電流基本呈線性增加，線性度高達(dá)0.15%,對(duì)應(yīng)模擬量輸出傳輸處理誤差低于0.5%，符合相關(guān)規(guī)定要求;有效抑制了尖峰脈沖及各種噪聲的干擾,具有較好的抗干擾性;最大相對(duì)誤差僅為0.667%，低于同類型的XX6071型安全柵。
(3)礦用多功能熱電阻型隔離安全柵已應(yīng)用于晉煤集團(tuán)的智能化礦用千米定向鉆機(jī)電控系統(tǒng)，對(duì)液壓油箱、電動(dòng)機(jī)定子繞組等的溫度進(jìn)行檢測(cè)。應(yīng)用結(jié)果表明,該安全柵溫度測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,高溫報(bào)警動(dòng)作穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)溫度的監(jiān)測(cè)與保護(hù),保證了千米定向鉆機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。