ГлавнаяКарта сайтаПечатьE-mail
КонтрАвт
Увлекая к успеху
Поиск продукции КонтрАвт
Поиск по сайту
Подписка
формаКаталог по почте
Оформите подписку и получайте по почте Каталог продукции и буклеты о Новинках


Преимущества четырехпроводной схемы подключения термодатчиков и ее искрозащита

Преимущества четырехпроводной схемы подключения термодатчиков и еe искрозащита

Анисимов Д. В., ведущий инженер НПК «Ленпромавтоматика»
Балабанов А. В., менеджер проектов НПК «Ленпромавтоматика»
Кусакин Г. О., руководитель группы технических средств НПК «Ленпромавтоматика»

Общие сведения

В промышленных системах контроля и управления в качестве датчиков температуры часто используют термосопротивления (ТС) – резисторы, зависимость сопротивления которых от температуры известна. При подаче стабилизированного тока на датчике возникает падение напряжения, пропорциональное сопротивлению и, таким образом, измеряемой температуре. Поскольку напряжение на входе вторичного измерительного преобразователя (ВИП), в общем случае, зависит не только от сопротивления датчика, но и от сопротивления линий связи (ЛС) между датчиком и ВИП, должны быть приняты меры по устранению влияния линий связи на результаты измерения температуры. Эффективность мер определяется методом исключения влияния линии связи и способом подключения к вторичным измерительным преобразователям. Тема выбора схемы подключения представляет значительный практический интерес и уже затрагивалась в ряде публикаций Методички.

Типовых схем подключения ТС три: двухпроводная, трeхпроводная и четырехпроводная. В данной публикации мы хотим привлечь внимание к четырехпроводной схеме подключения ТС.

Обзор типовых схем

Двухпроводная схема

В простейшей двухпроводной схеме подключения резистивных датчиков сопротивление ЛС входит в погрешность измерения. Это не обеспечивает удовлетворительных метрологических характеристик измерительного канала, если сопротивлением проводов нельзя пренебречь.

Трeхпроводная схема

Влияние сопротивления ЛС в трeхпроводной схеме устраняется путeм компенсации. Компенсацию осуществляют, предполагая, что падения напряжения на проводах одинаковы. Это верно при равенстве сопротивлений проводов ЛС. Погрешностью, вносимой отсутствием точного равенства, обычно можно пренебречь. Однако, для прецизионных измерений лучше использовать четырехпроводную схему подключения ТС.

Четырехпроводная схема

При четырехпроводной схеме подключения разность сопротивлений плеч ЛС не значима. Это вызывает уверенность в незначимости и параметров ЛС.

При этом встречаются ситуации, когда теоретический расчет для измерительной системы на практике совершенно не оправдывается, либо когда внесение изменений в ЛС, не влияющее на разность сопротивлений плеч, тем не менее приводит к искажению данных – вплоть до метрологического отказа преобразователя.

Дело в том, что наряду с разбалансом плеч есть еще такой параметр, как активное сопротивление ЛС. Хотя выше мы сказали, что этот параметр является составляющей погрешности только для двухпроводного подключения, оказывается, что некоторым образом он приобретает значение и для трех-, и для четырехпроводного подключения.

Причина состоит в следующем: ВИП содержит в себе источник тока для опроса ТС. Идеальный источник тока не имеет ограничений по сопротивлению нагрузки. Для реального источника тока всегда есть предельная величина сопротивления нагрузки, при которой он выдает заданный ток опроса. При превышении этого порогового значения источник начинает занижать ток опроса, что приводит к резкому увеличению погрешности. Особенно сильно эффект проявляется вблизи верхней границы диапазона измерений.

К сожалению, изготовители ВИП не нормируют максимальное сопротивление ЛС, на которое работают их изделия. Как показали проведенные ООО «Ленпромавтоматика» эксперименты с продукцией ведущих мировых производителей ВИП для ТС, значимая погрешность появляется при увеличении сопротивления одной ЛС свыше величины порядка 30 Ом. Эта величина обоснована: если ЛС – это медные провода и клеммы, нет причин предполагать, что 30 Ом будет недостаточно, ведь при сечении 1 мм2 это сопротивление соответствует 1714 м медного провода. Поэтому параметр и не нормируется. Но он сразу становится значимым, когда между ВИП и датчиком появляется барьер искробезопасности.

Барьеры искробезопасности

Если датчик находится во взрывоопасной зоне (например, предприятия химической и нефтегазовой промышленности), требуется обеспечить взрывозащиту. Одним из видов взрывозащиты является искробезопасная электрическая цепь (ГОСТ Р 51330.10-99). Барьеры искрозащиты обеспечивают безопасность цепи подключения ТС как в штатных, так и аварийных ситуациях. В измерительных цепях ТС барьеры включаются в сигнальные цепи между ВИП и датчиками, поэтому при применении такого устройства требуется учитывать величину вносимого им сопротивления.

Изготовители ВИП не всегда указывают максимальное сопротивление ЛС (поэтому теоретическая оценка погрешности измерений при работе с конкретным ВИП затруднительна). А производители барьеров, нормируя величину проходного сопротивления, не учитывают, какое влияние оно окажет.

Пример расчета сопротивления  проводов для типовых значений длины l = 100 м, площади поперечного сечения S = 1 мм2 и удельного сопротивления меди дает 1,75 Ом для одного провода.

В свою очередь, были проведены экспериментальные исследования барьеров ведущих производителей на предмет величины проходного сопротивления (рис. 1). У большинства проходное сопротивление оказалось в разы больше критической величины порядка 30 Ом.

Таким образом, если проходное сопротивление барьера не учесть, сумма сопротивлений ЛС и барьера может превысить критическую величину. Четырехпроводная схема потеряет свои преимущества.

1 – БИ-003 4 – 2000БИ-2 7 – БИЗ-П4

2 – БИ-004 5 – РИФ-П7    8 – TCC Ex2A

3 – 2000УБ 6 – БИБ-04-7 9 – MTL 4760ac

Рис. 1. Проходное сопротивление моделей барьеров, подключенных по четырехпроводной схеме

Описание предлагаемого решения (барьеры серии «БИ»)

На основании полученных данных специалисты ООО «Ленпромавтоматика» разработали свои изделия с таким показателем проходного сопротивления, при котором обеспечивается стабильная работа известных нам ВИП.

Модели БИ-003 и БИ-004 отличаются друг от друга проходными сопротивлениями плеч и напряжениями холостого хода.

Для БИ-003 проходное сопротивление составляет не более 19 Ом, напряжение холостого хода не более 1 В, для БИ-004 – 27 Ом и 3 В соответственно. Для подавляющего большинства применений предпочтительным является использование БИ-003. Например, такие барьеры успешно используются НПФ КонтрАвт в АСУ ТП камеры сушки лакокрасочных покрытий. Проходное сопротивление у БИ-003 меньше, чем у БИ-004, а напряжения с датчика выше 1 В встречаются редко, и терморезисторы при этом разогреваются током опроса (на типовом резистивном датчике номиналом 100 Ом при напряжении 1 В рассеивается 10 мВт).

Для ряда систем с опросом датчика импульсным током, систем с высокоомными датчиками, а также для терморезисторов, включенных как термоанемометры, используются большие токи опроса. В этих случаях следует применять БИ-004.

Для барьеров ООО «Ленпромавтоматика» разработаны и свободно распространяются детальные методики расчета погрешности, что позволяет произвести еe оценку до того, как канал будет собран.

Методика расчeта базируется на соотношении:

  (1)

где  результат формулы – погрешность измерения;

I0 – ток опроса; Iуm – ток утечки диодов (стабилитронов). Ток I0 опроса термопреобразователя определяется паспортными характеристиками вторичного измерительного преобразователя.

Rmax и Rmin – максимальное и минимальное сопротивление ТС. Значение Rmax и Rmin определяют, исходя из диапазона измерения температуры и градуировочных характеристик термопреобразователя сопротивления. Для стандартных термопреобразователей градуировочные таблицы приведены в ГОСТ 6651-94.

Ток утечки диодов ( Iуm ) есть функция от падения напряжения на терморезисторе ( Ux ). Поэтому сначала необходимо определить Ux по следующей формуле:

Ux=Rmax . I0 (2)

Далее, по значению Ux вычисляют ток утечки по формуле 3 для БИ-003 и по формуле 4 для БИ-004:

   

   

Вывод

Четырехпроводная схема подключения ТС применяется для прецизионных измерений. Если при этом осуществляется ее искрозащита, следует обратить внимание на проходное сопротивление барьера искробезопасности. Значение проходного сопротивления становится критичным, когда суммарное сопротивление ЛС и барьера превысит некоторую величину (порядка 30 Ом), за которой возможен метрологический отказ ВИП.

Проходное сопротивление у барьеров БИ-003 и БИ-004 ООО «Ленпромавтоматика» меньше такой критической величины. Следовательно, применение этих барьеров в четырехпроводной схеме подключения ТС вполне допустимо. Достаточно сказать, что погрешность, вносимая барьером БИ-004 в типичную измерительную цепь, составляет 0,03 %.

Подробнее о барьерах искробезопасности читайте у нас на сайте.




Copyright © 2003-2016 КонтрАвт
Телефон: +7 (831) 260-13-08 (многоканальный)
Почта: sales@contravt.ru



Powered by TreeGraph (Graphit Ltd.)