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高速旋转式温度变送器的系统原理先容

编辑:4008com云顶集团
1.概述
温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的工业仪表,广泛应用于工业生产过程中的各种测温场合。而高速旋转式温度变送器(主要包括定子和转子两部分)是应用在化纤纺丝中的热辊监控系统,热辊对丝束起着牵伸和热定型的作用,而其表面温度的均匀性直接影响着丝束的质量,而只有检测到的温度数据准确才能达到控制要求的精度。因此采用四区感应加热式的方法控温,在每个区对应的导丝盘相应的位置上埋置一个铂电阻,热辊表面的温度经Pt100铂电阻传感器检测后转换成电压信号送入转子转子将信号以无线方式耦合到定子上,进而将电压信号转换成4~20mA的标准电流信号,这样既节省了昂贵的补偿导线,又增强了信号传输过程中的抗干扰能力。高速旋转式温度变送器将4个区的温度信号分别送入控制柜中,来控制各分区的加热线圈电流的通断时间比例,从而使各测量点的温度达到平衡。
 
2.系统结构与工作原理
图1为高速旋转式温度变送器的系统结构,主要包括Pt00铂电阻传感器、恒流源电路、定子和转子等部分,其中转子安装在热辊电机后出轴上,定子安装在机座上。工作原理:将安装在导丝盘内的四只铂电阻的引线从热辊端穿过电机空心轴至电机后端,并接到转子的相应位置上。转子将铂电阻检测到的电压信号转换成数字信号,定子通过天线发出信号使转子产生电能供给芯片工作,而转子的数据信号通过天线传回定子,并将其转换成4`20mA的标准电流信号送至控制器。
 
3.硬件电路设计
3.1恒流源电路
恒流源为铂电阻提供恒定激励电流。为实现高的电流稳定度,驱动电路大多采用集成运放负反馈的控制方法,普遍采用MOs晶体管为恒流源的调整管。图2为恒流源电路,负载R串联于MoS晶体管漏极,采样电阻R4串联于源级,用于电流取样,该取样电流经IU转换之后,作为反馈电压ⅤF和参考电压ⅤR进行比较放大,对MOS管的栅极电压进行控制,进而对输出电流进行调整,来使整个闭环反馈系统处于动态平衡中,而实现稳定输出电流的日的。由负反馈原理得到Id=VR/AuR4。
 
3.2 A/D转换器
高速旋转式温度变送器处理的热电阻信号范围属于典型的小信号测量,小信号测量也是该系统的关键技术,而小信号采样的关键在于A/D转换部分,经多次筛选,本文选用的是AD7715,它是一种内置程控放大器的∑-△16位模数转换器。它利用采样技术把众多的量化噪声压缩到基本频带以外的高频区,而后利用数字滤波器滤除大部分量化噪声这样提高了分辨率和总的信噪比,从而AD7715适合高速旋转式温度变送器信号的采集。它内置的程控放大器有4种增益选择分别是12、32、128,具有测量信号范围为-30mV~2.5V,00015%的非线性、三线串行接口、差动输入、缓冲输入、输出的更新速度可编程等特点,从而AD7715适合高速旋转式温度变送器信号的采集
3.3 电源、D/A及V转换(AD421)
3.3.1 AD421基本原理
AD421是 ANALOG DEVICES企业专门为智能温度变送器设计的芯片,它是一种高精度、低功耗、采用环路供电输出4~20mA标准电流信号的数模转换器(DAD),可用以实现远程的智能工业控制。它主要由电流放大器、数模转换器、电压调整器、参考电压、数字接口等五部分组成。它含有3大主要功能:1、将微处理器的数字信号转换为模拟信号的DAC功能;2、提供设定环路电流的电流放大器;3、将环流作为能源米稳定工作电压的稳压器。电压调整器由运算放大器、带隙基准电压源和外部耗尽型FET调整管红成。它能给ADA21及变送器的其余电路供电,LV端连接的器件来控制放大器增益的改变,进而改变Vcc引脚的电压。当LV接COM、Vcc或通过0.01μF电容器接到vcc时,Vcc分别为5V、3ⅴ和3.3V。数模转换器由二阶调制器与连续时间的滤波器组成。当 CLOCK信号上升沿时,DATA引脚的数据被移位寄存器按由高位至低位的顺序逐位读入,当 LATCH信号上升沿时,移位寄存器中的数据锁存至DAC中。若两个 Latch脉冲之间恰好存在16个系统时钟,则锁存16位数字信号并且由硬件自动完成电流转换;如若多于16个时钟周期,则只锁存ZUI后输入的17位数据并输出 Alarm current信号。电流放大器由运算放大器与NPN晶体管组成,DAC输出与LOOPRTN引脚间连接的80K92的电阻当做采样电阻用来调节 LOOP RTN引脚的输出电流,通常 BOOST管脚与cc相连,当DAC的输入代码从0到满量程(全1)时,则使整个电流环电流的变化范围为4~20mA。
3.3.2系统环路供电
图3为高速旋转式温度变送器的电流环路结构,电流的环路必须是浮地,否则环路将无法形成。环路电流(4~20mA)由静态工作电流与AD421环路控制电流组成,AD421的静态工作电流是0.6mA,为达到环路ZUI小电流为4mA的标准,AD421的cc同吋供给变送器其它器件的电流要小于34mA,而实际应用中通常电流超过325mA时,环路电流就会变得不准确。
 
3.4 无线数据传输模块
目前无线电收发模块主要分为调频收发模块与调幅收发模块。鉴于调幅器件的性价比较高和生产成本较低的优点,因此调幅形式的收发组件具有广泛的市场前景向。
3.4.1 无线发射模块

图4为该模块的电路原理图,该数据模块采用ASK调制方式,来降低功耗,如果数据信号停止,则发射电流将降为零,发射模块输入端与数据信号不能用电容耦合,但能用电阻或直接相连,不然发射模块将不能正常工作。该模块利用声表谐振器SAW稳频,正常工作频率为315MHz,稳定度极扃,而当环境温度在-25℃~+85℃时,频飘仅为3ppm/度。发射模块末设编码集成电路和数据调制三极管Q1,这种结构使其不必考虑输出幅度信号值与编码电路工作电压的大小,从而方便和滚动码电路、固定编码电路及单片机接口。数据模块具有3~12V较宽的作电压范围,即使当电压变化时,发射频率也基本不变化,而接收模块在不做仼何调整的情况下仍能稳定接收,在3~12V范围内,传输距离随电压的增大而增长。
3.4.2无线接收模块
常用接收模块有两种:超再生接收模块和超外差接收模块。本设计中信号要传输距离近,两种模块的效果相差不多,从降低成本角度考虑,选用超再生低电压微功耗接收模块。该模块的工作电压为27~3V,工作频率为315MHz,静态电流要小于370μA,接收灵敏度为-95DB。
图5是超再生低电压微功耗接收模块电路原理图,图中QI(高频放大三极管)及相关元器件构成高放电路,Q2(本振三极管)及相关元器件构成超再生检波电路,两级运放对检测的控制信号进行放大处理后,信号从输出端输出并接收无线信号,L0为可调电感,L1为高放谐振线圈,L2为绿色的色环电感,LM358为运算放大器。接收模块没有解码集成电路,通常只有在电路中对其进行二次开发才能发挥应具备的作用,用它设计电路灵活方便,可以与单片机或各种解码电路配合
 
4.结论
本文先容了基于铂电阻的高速旋转式温度变送器的实现方法,调试过程中曾出现电磁干扰问题,通过釆取添加隔离电路等措施,转子能在高速旋转的情况下准确的将数字信号耦合到定子上,但当长时间工作时,热辊会因为温度传输中断而跳停。主要原因应该是温度变送器位置靠近热辊的加热区,环境温度较高而不能及时散热。虽然设计时也考虑到器件耐高温的问题,但可能因为高速旋转的情况下电杋后轴温度较高和器件被密封在转子和定子里的缘故,该装置散热不是很好,为此大家引入空压机对其进行冷却,将温度变送器外壳上开设的压缩空气进气通孔通过软管与空压机连接。经过不断调试与改进,ZUI终能达到±15℃的温度均匀性和1℃的控制精度。
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