高性能温度量输入信号转换模块开发与测试研究.docx
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1、高性能温度量输入信号转换模块开发与测试研究O引言随着工业生产技术的发展,特别是我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段,社会对生产安全越来越重视。稳定的生产安全保障已成为可持续高质量发展不可动摇的基础和前提。在实践中,人们不断提出新的安全管理要求,引入先进的管理技术,如先进报警管理系统1、可预测性维护等。这对过程变量监控和数据采集仪表提出了更高的性能和安全可靠性要求。温度量输入信号转换模块可接收来自生产现场的热电阻、热电偶等温度传感器信号,经过线性化处理转换成标准电信号传输到控制室2,在温度测量控制系统中应用广泛。其性能和可靠性对保障生产安全十分重要。二十多年来,随着测量技术的发展和数字技术
2、的广泛应用,国内温度量输入信号转换模块产品的技术性能有了很大提升,与进口同类产品的差距正不断缩小。但是国内产品整体与国外同类先进产品相比仍有不小差距,尤其在可靠性、电磁兼容等方面。在高端市场竞争中,国内产品长期处于劣势。本文从满足更高的应用要求出发,研究、开发了高性能温度量输入信号转换模块,并通过测试研究设计了可提高模块标定和测试精度的测试线插头方案。1关键技术难点分析在线诊断功能是提高测量控制系统可靠性和安全性的重要手段。当系统诊断出现故障时,会输出特定的故障报警信号,方便用户及时进行系统维护和维修。温度传感器的常见故障有热电阻断线/短路故障、热电偶断线故障等。热电偶长期使用会逐渐劣化,导致
3、温度测量误差增大。而热电偶的劣化是一个缓慢的量变过程,难以对其定量3。对热电偶劣化进行早期识别诊断,可便于用户进行预测性维护。工业现场日益复杂的电磁环境是影响测量控制系统稳定、可靠运行的重要因素。浪涌(冲击)、静电放电甚至可能造成设备损坏。热电阻、热电偶信号属于小信号,容易受到干扰。因此,抗电磁干扰能力成为温度量输入信号转换模块的关键性能指标之一,0测试和检验产品时,一般要求测试系统的测量不确定度不超过被测产品规定误差限的四分之一4。因此,高精度的产品要求更低测量不确定度的测试系统。在温度量输入信号转换模块生产过程中,标定和测试系统的测量不确定度主要来源于测试仪器和信号源。信号源模拟电阻输出端
4、口处的接触电阻是一个不可忽略的因素。2高性能温度量输入信号转换模块的实现2.1 硬件电路与可靠性设计电路功能框图如图1所示。图1电路功能框图基于单片机(microcontro11erunit,MCU)技术及模数转换(ana1ogtodigita1,A/D)数模转换(digita1toana1og,DA)技术,可准确采集温度传感器信号,并将其转换为温度线性的标准电信号。本文依据GB/T3836.42023爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i保护的设备中关联装置本安防爆设计要求设计本安防爆功能。由快速熔丝、齐纳管及限流电阻组成的限能电路,可以限制到达危险区的能量6。通过可靠隔离变压器实现供源输入、
5、信号输入和信号输出三端之间可靠隔离2,能够防止本安电路与非本安电路之间的击穿,确保本安电路的防爆性能力。本设计的温度量输入信号转换模块已通过防爆认证。防爆参数为:Um=250V;Uo=4.6V;1o=27.1mA;Po=31.2mW;Co=200F;1O=47.8mH。为了增强产品的安全可靠性,依据GB/T20438系列和GBA21109系列功能安全标准,对电路进行功能安全设计,并按照功能安全仪表要求进行性能测试。温度量输入信号转换模块视为B类安全相关组件,硬件故障裕度(hardwarefau1tto1erance,HFT)为0。通过对各电路功能块进行失效模式分析,设计硬件和软件相结合的诊断措
6、施,使安全失效分数(SafefaiIUrefraCtiOn,SFF)达到90%以上,从而符合安全完整性等级SI12o2.2在线诊断功能的实现通过在故障检测时施加辅助激励电流,对输入回路信号采样,根据温度传感器开路、短路故障时的各个通道采样码值进行判断,实现可靠的故障在线诊断。当检测到故障时,输出预先设定的报警电流,同时通过面板1ED灯进行报警指示,以提高温度测量控制系统的可靠性和维护便捷性。输入信号检测与故障诊断电路如图2所示。图2输入信号检测与故障诊断电路2.2.1 热电阻传感器故障诊断以三线制PtIOO为例,热电阻输入时,设置AD1JN5为电流源输出为200A的激励电流。电流流经端子5玲R
7、TD3端子8R37玲R38。诊断热电阻传感器故障方法和步骤如下。当端子5或端子8连接回路断线时,参考基准电压UO=OV,正常信号检测时会得到(UI-U3)采样为满码,诊断为断线故障。当端子7连接回路断线时,U3通道输入处于开路状态。此时,(U3-U4)差分电压不稳定,不能据此准确判断是否断线。设置ADSN9为电流源输出为20HA的电流,(U3-U4)采样为满码,表明端子7连接回路面线,诊断为断线故障。检测完毕,关闭ADSN9为电流源输出并恢复正常电阻检测。若正常电阻检测时运算得到的阻值低于组态预设定值(如Pt1OO设为15),诊断为热电阻短路故隙。2.2.2 热电偶测量故障诊断测量热电偶输入信
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