智能化無線傳輸的新型熱電偶式隔離安全柵的設計

摘要本課題所研究的熱電偶式隔離安全柵是一種智能型的安全柵，它具有編程控制能力，能夠適應多種測溫材料，測溫量程可以根據需要更改。在工業現場環境發生變化時，需要外部測溫材料改變，則可采用紅外傳輸技術向系統下發命令，直接修改參數，就可以適應新的測量環境。

關鍵詞 智能化 無線傳輸 熱電偶 隔離安全柵

中圖分類號：TM762文獻標識碼：A

The Design for the Isolation Safety Gate of New Thermocouple

Type of Intelligent Wireless Transmission

LU Yixin

（Xi'an University of Arts and Science， Xi'an， Shaanxi 710065）

AbstractThis topic research temperature measurement isolation safety bar is a kind of intelligent safety gate， it has a programmable control ability， can adapt to various temperature measuring materials， temperature measurement range may， according to needs to change. In the industrial field when external temperature measuring material changes， Use the infrared transmission technology to issue orders to the system， modification parameter directly， which could adapt to the new measurement environment

Key wordsintelligent; wireless transmission; thermocouple; isolation safety gate

1 隔離式安全柵的最新發展趨勢

安全柵又稱安全保持器。本安回路的安全接口，它能在安全區和危險區之間雙向轉遞電信號，并可限制因故障引起的安全區向危險區和能量轉遞。一般安全柵有齊納式、隔離式。安全柵應用在本安防爆系統的設計中，它是安裝于安全場所并含有本安電路和非本安電路的裝置，電路中通過限流和限壓電路限制了送往現場本安回路的能量，從而防止非本安電路的危險能量串入本安電路，它在本安防爆系統中稱為關聯設備，是本安系統的重要組成部分。①目前市場上對于產品的要求具體歸納為以下幾個方面：模塊化；低功耗設計；②無源式安全柵；③小型化；④智能型⑤等要求。

2 新型隔離式安全柵的設計

2.1 設計思路

傳統型溫度測量隔離安全柵一般都是針對某種特定的測溫材料設計，當現場需要改變測溫材料時，相應的要更換安全柵型號。本課題所研究的溫度測量隔離安全柵是一種智能型的安全柵，它具有編程控制能力，能夠適應多種測溫材料，測溫量程可以根據需要更改，在工業現場當外部測溫材料改變時，只需要將其內部參數做局部的調整，就可以適應新的測量環境。參數改變方式靈活多樣，批量更改時可以通過下載口與上位計算機相連下載程序，其優點是速度較快、準確；工業現場更改時，可以使用便攜式手持設備，通過無線方式向系統下發命令，修改參數，因采用紅外傳輸技術，可以有效防止工業現場的電磁干擾、移動靈活、便捷、無場地限制。整個系統由外部獨立供電，在內部分兩路隔離輸出分別供輸入處理單元和輸出處理單元使用，采用低功耗設計，在信號處理單元增加本質安全保護措施。系統能夠自動檢測外部測溫材料斷線事件，對于人為的錯誤操作系統能夠自動保護。

2.2 設計原理

我們所設計新型智能型無線傳輸的熱電偶式隔離安全柵采用光電隔離傳輸方案。實現原理是：將工業現場危險區測得的模擬信號經過限流限壓及抗干擾處理后，送入高性能A/D轉換電路進行量化處理，量化后的數字量送入主控芯片，再由主控芯片以光電隔離方式傳輸給輸出端D/A轉換電路，還原后的模擬信號在送出之前再次經過限流限壓及抗干擾處理。整個系統從功能上劃分包括：信號輸入處理單元、信號輸出處理單元、隔離傳輸單元、智能控制單元及電源五部分組成，其功能框圖如圖1所示：

圖1新型隔離式安全柵功能框圖

2.3 功能模塊介紹

2.3.1 電源模塊

電源模塊：電源模塊是本系統穩定可靠工作的基礎，電源的技術指標決定產品的性能。本系統的電源由外部24V直流供電，在系統內部經過DC/AC變換器變成方波，經電源變壓器耦合，整流濾波，得到兩路相互隔離的直流電壓，分別供輸入信號調理模塊和輸出信號調理模塊使用。每路電源都具有過流過壓及抗干擾能力，多種保護措施、可靠性高。

2.3.2 信號輸入處理單元

信號輸入處理單元：我們設計的安全柵部分接收工業現場測溫材料是熱電偶，是把兩種不同材質的導體A和B焊接起來，當連接點（熱端）的溫度和導體另一端（冷端，亦稱參比端）的溫度不同時，會在冷端產生熱電勢。熱電偶就是利用這一現象將溫度量轉換成電勢量的溫度傳感器。其測溫原理圖2所示：

圖2熱電偶測量溫度原理圖

如果熱電偶的冷端溫度保持恒定（比如為0℃），則輸出熱電勢和熱端溫度值成一一對應關系。溫度變送器通過測量熱電偶輸出端的電勢差，再將電勢差轉換成溫度，從而實現溫度測量。

本部分接收工業現場測溫熱電偶材料送來的反映溫度變化的物理量，并將其送給主控芯片處理。現場送來的信號首先進行限流限壓及抗干擾處理，處理完后送入16位高性能ADC芯片，以串行方式將量化后的數字結果存入主控制芯片。

2.3.3 智能控制單元

智能控制單元：本單元主要由微功耗的控制芯片構成，可能通過下載接口或紅外接口接收來自外部的命令，調整自身的參數。在系統工作時，定時向ADC芯片發出命令，索取量化后的數值，將其保存在內部存儲區，在內部調用算法，經過一系列的補償運算后將新的結果送入隔離單元，當信號輸入處理單元外接的測量材料改變時，可以通過下載接口，由上位機電腦更新參數，在工業現場，還可利用手持式便攜修改器通過紅外無線傳輸系統修改參數。具有實時監測系統工作狀態功能，如遇異常情況：低于量程下限；高于量程上限；斷偶/短線/短路情況下分別以不同的狀態報警輸出。

2.3.4 隔離單元

隔離單元：本部分利用光隔離原理，將量化補償運算后的數字量隔離傳送給輸出處理單元。采用光電隔離，有效將危險區與安全區隔離，傳輸速度快，不受電磁干擾。

2.3.5 輸出信號處理單元

輸出信號處理單元：輸出信號處理單元主要完成將主控芯片傳送來的數字量還原為4-20mA或1-5V的標準工業信號，供后級儀表使用。在模數轉換上采用16位高精度串行輸入DAC芯片，信號在送出前，進行了限流限壓及抗干擾處理。

2.4 技術創新點

（1）可編寫程序，拓展產品的適用范圍，在不同的場合需要，可以切換模式，使其適應于相應的熱電偶材質，以達到安全柵的使用標準。（2）使用紅外技術達到具體的數據無線傳輸和接收，這樣就避免了在一些極端條件下人機界面所出現的問題，同時使得可操作性和安全性得到大幅提升。

3 結論

由于我們的設計采用紅外傳輸技術，可以有效防止工業現場的電磁干擾、移動靈活、便捷、無場地限制。整個系統由外部獨立供電，在內部分兩路隔離輸出分別供輸入處理單元和輸出處理單元使用，采用低功耗設計，在信號處理單元增加本質安全保護措施。系統能夠自動檢測外部測溫材料斷線事件，對于人為的錯誤操作系統能夠自動保護。我們的設計作為這一類型安全柵產品的發展方向，是同類型隔離式安全柵升級換代的產品，市場前景廣闊。

注釋

①王兆安，張明勛.電力電子設備設計和應用手冊[M].機械工業出版社，2002.

②區健昌.電子設備的電磁兼容性設計[M].電子工業出版社，2003.

③國家知識產權局專家編寫組.帶電子設備制作方法，加工技術[M].知識產權出版社，2011.

④電子網絡文獻.宇通儀表.宇通儀表.重慶宇通儀器儀表，2010.

⑤論文集，會議錄.馮偉.新型信號隔離器和安全柵的設計.重慶宇通儀器儀表，2010.

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