礦用多功能熱電阻型隔離安全柵設計

摘要:針對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，設計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和危險側電路供電,結合信號的光耦隔離實現供電側、危險側和安全側的三端隔離,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警、帶遲滯的高溫報警及電壓電流信號輸出轉換等功能。樣機測試結果表明:2路熱電阻可同時工作,閾值比較電路動作穩定;隨著輸入溫度升高,輸出電流基本呈線性增加，線性度高達0.15%,對應模擬量輸出傳輸處理誤差低于0.5%,符合相關規定要求;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;最大相對誤差僅為0.667%,低于同類型的XX6071型安全柵。實際應用結果驗證了該安全柵溫度測量結果準確,高溫報警動作穩定，滿足礦用電氣設備的實際應用需求。
0引言
       隨著煤礦井下裝備自動化程度的提高,需要檢測的信號逐漸增多,相較于防爆外殼內的控制電路，采集信號的傳感器工作環境更加復雜和危險[1]]。安全柵作為傳感器和控制電路的接口,起到了隔離危險區與安全區的作用，限制了可能從安全區流入危險區的能量,保證了信號的安全傳輸[2-4],被廣泛應用于井下檢測系統。
       一種基于磁隔離的熱電阻型隔離安全柵,其電路結構簡單,調試方便,但存在功能單一、集成度低等問題,且井下噪聲及設備內部復雜的電磁環境會對經磁隔離的信號產生干擾，從而影.響設備正常運行。文獻[6]設計了一種基于單片機的智能型隔離安全柵，大大提高了溫度測量精度,但由于加入數字電路，使其復雜性提高且易受井下環境干擾。針對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，本文設計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，增加帶遲滯的開關量輸出及靈活的模擬量輸出類型,以兼容不同控制系統的要求。
1礦用多功能熱電阻型隔離安全柵總體設計
       礦用多功能熱電阻型隔離安全柵由熱電阻信號檢測電路、閾值比較電路、電壓電流轉換電路、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和危險側電路供電,結合信號的光耦隔離實現供電側、危險側和安全側的三端隔離

       熱電阻信號檢測電路實現熱電阻二次非線性誤差修正及熱電阻傳感器斷線故障報警功能。閾值比較電路實現帶有遲滯比較功能的高溫報警,并通過繼電器輸出開關量。電壓電流轉換電路用于信號類型轉換,實現0~5V信號和4~20mA信號的輸出,以兼容不同控制系統模擬量輸入要求。線性光.耦隔離電路采用HCNR201線性光耦實現穩定的模擬量信號隔離傳送,光耦隔離電路實現對開關量信號的隔離。限能電路利用快速熔斷器、瞬態抑制二極管及限流電阻等元件實現危險側輸入本安保護，保證安全側能量不會竄入危險側。
2電路設計
2.1熱電阻信號檢測電路
       熱電阻信號檢測電路如圖2所示。其中RRTD為PT100三線制鉑熱電阻;Rz為零電阻，其值為量程內最低溫度時鉑熱電阻的阻值，為檢測提供比較基準;Rc為增益電阻,用于調整增益及量程;RINE1，RLINE2,RLINE3為三線制鉑熱電阻的引線電阻;RLuINI和RLN2為反饋電阻。

       考慮井下電氣設備實際使用環境及測量技術要求，設置安全柵溫度測量范圍為0~200°C。熱電阻阻值隨溫度的變化存在二次非線性部分，而現有的大部分采用橋式電路檢測熱電阻阻值的安全柵不能準確地對二次非線性部分產生的誤差進行修正[印]，這部分誤差通常采用帶有微控制器的數字電路進行修正，因此，在安全柵這種純模擬電路中，需要通過硬件對誤差進行修正[8-10]?？紤]誤差修正、斷線報警功能和電路的集成度，本文采用XTR105芯片實現熱電阻的阻值轉換。XTR105芯片采用量程中點值和.上限值作為參考點修正熱電阻二次非線性部分產生的誤差。
增益電阻Rc、反饋電阻RLIN和RLIN2的計算公式分別為
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，為量程中點值所對應的熱電阻值,Ω;R2為量程上限值所對應的熱電阻值,Ω。
RRTD和Rz由XTR105芯片內部2路0.8mA的恒流源激勵，產生的電壓輸入到XTR105芯片內部的放大器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用于斷線報警。XTR105芯片正常輸出4~20mA信號,三線制鉑熱電阻的任一線發.生斷線故障都會改變Q1的工作狀態，使芯片輸出2.2mA或27mA的報警電流。
2.2閾值比較電路
       在井下一些應用中，需要根據被測對象的溫度實現過熱保護或閉鎖等功能。現有熱電阻型安全柵大多無法實現該功能，因此，在隔離安全柵中加入閾值比較電路具有現實意義。閾值比較電路如圖3所示,該電路可實現帶遲滯的閾值報警功能,且閾值與溫度滯回區間可調。當溫度超過設定閾值后，電路輸出開關量信號,且動作帶有遲滯性，以防止比較器在閡值附近頻繁跳動。

       圖3中,A3為運算放大器LM358,通過連接其.輸出端與反向輸入端構成電壓跟隨器,起到阻抗匹配作用;A4為比較器LM2904,用來比較測量電壓和閾值電壓;Rr為閾值調節電阻;R;為溫度滯回區間調節電阻。在量程為0~200C的情況下,Rr與設定閾值溫度的關系及R:與設定溫度回差的關系為
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為設定閾值溫度,℃;Vref為穩壓管電壓,Vref=9.1V;Ril為比較器.輸入電阻，Ril＝10KΩ；Δt為設定溫度回差，℃。
2.3線性光耦隔離電路
       傳統隔離安全柵的信號隔離多采用磁隔離方式，即將信號調制輸入至隔離變壓器并在輸出側解調。這種隔離方式對強磁場干擾及頻繁用電動機的環境較為敏感。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。

       發光二極管LED和2個光二極管PD1、和PD2組成HCNR201線性光耦。放大器A5和A6的反饋作用使LED的光照度輸出及光二極管PD2的光電流輸出變得穩定并具有線性特征，從而實現信號光隔離的目的。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:為增益調節電阻,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電壓分別為3.5kV和2.6kV,高于GB3836.4一2010《爆炸性環境第4部分:由本質安全型“1”保護的設備》中規定的1.5kV。
限能電路位于DC/DC模塊的危險側輸出端，模塊最大輸出電壓為12V，最大輸出電流為144mA，危險側電路最大功率為1W。根據GB3836.4-2010《爆炸性環境第4部分:由本質安全型“1”保護的設備》附錄表A.1和附錄圖A.1[15]中的簡單電阻電路可知,12V對應的允許短路電流為3.3A,結合歐姆定律,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為負載最小允許電壓,Vm=10.8V;Pz為最大輸出功率,W;PM為最大負載功率，W.。
       由式(8)計算得到限流電阻應大于3.6Ω2且小于84.9Ω,本文取4.72?？焖偃蹟嗥麟娏魅≈祽∮谀K最大輸出電流，本文取100mA。
3測試驗證
3.1樣機測試結果
       在實驗室完成了樣機調試,測試了礦用多功能熱電阻型隔離安全柵的各種功能。結果表明,2路熱電阻可同時工作,閾值比較電路動作穩定。
       設溫度閾值為60℃，溫度滯回區間為57~63℃,對25~75℃范圍內的16個溫度點下安全柵輸出電流進行檢測,前8組測量結果見表1,數據散點圖如圖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GB/T18459--2001《傳感器主要靜態性能指標計算方法》計算得到安全柵輸出線性度高達0.15%,對應模擬量輸出傳輸處理誤差低于0.5%,低于AQ6201--2017《煤礦安全監控系統通用技術要求》中的規定值1%。
       使用電磁兼容測試儀進行電路抗干擾試驗,結果表明，礦用多功能熱電阻型隔離安全柵通過了GB/T17626-2016《電磁兼容試驗和測量技術》中.的4級靜電放電抗擾度試驗、3級電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗以及4級浪涌抗擾度試驗,抗干擾性能優于AQ6201-2017《煤礦安全監控系統通用技術要求》中的規定。
3.2性能對比分析
       選取一種外形及大小與測試樣機均相同的XX6071型熱電阻型隔離式安全柵進行對比。在2級電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗條件下，即在電源模塊輸入端引入電壓峰值為1kV、重復頻率為5kHz的脈沖群,采用可調電位器(阻值調節范圍為100~150Ω,間隔為5Ω)作為輸入,比較測試樣機與XX6071型安全柵的性能，結果見表2,其中最大相對誤差指實際測量值與理論計算值相對誤差的最大值。

       由表2可看出,測試樣機具有較高的集成度、多種輸出類型及更為豐富的功能，最大相對誤差僅為0.667%,低于XX6071型安全柵的0.97%。這是由于測試樣機中的模擬信號采用光電隔離，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結論
(1)根據安全柵的特殊使用環境及實際應用需要,設計了礦用多功能熱電阻型隔離安全柵。該安全柵實現了熱電阻二次非線性誤差修正、熱電阻傳感器斷線故障報警、帶遲滯的高溫報警及電壓電流信號輸出轉換等功能，同時，利用電路的高集成度，在有限的外殼空間內實現了2路熱電阻信號的采集輸出和2路閾值報警輸出。
(2)樣機測試結果表明:2路熱電阻可同時工作，閾值比較電路動作穩定;隨著輸入溫度升高，輸.出電流基本呈線性增加，線性度高達0.15%,對應模擬量輸出傳輸處理誤差低于0.5%，符合相關規定要求;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用于晉煤集團的智能化礦用千米定向鉆機電控系統，對液壓油箱、電動機定子繞組等的溫度進行檢測。應用結果表明,該安全柵溫度測量結果準確,高溫報警動作穩定,實現了對系統溫度的監測與保護,保證了千米定向鉆機的安全穩定運行。