一支热电偶能否连接多台显示仪表?

2018/2/23 14:44:00 人评论 次浏览 分类:温度测量  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/518.html

一支热电偶能否连接多台显示仪表,这个问题常有人提出,因为随着DCS系统的应用及对管理工作的要求,需要对一个信号在多处显示也是常有的事。一支热电偶能否连接多台显示仪表或DCS系统板卡,连接后能否保证测量精度,这是人们关心的问题。

热电偶与显示仪表等效电路图  


热电偶的输出信号是热电势(mV),根据电路分析原理,一个实际电源可以等效为理想电源加内阻。

根据欧姆定律,此时显示仪表RL两端的电压为:
                                         
式中Et为热电偶热电效应产生的热电势;RL为显示仪表的输入电阻;RN为热电偶回路总电阻;I为流经显示仪表的电流。
由式可知。RN<RL越多,则U越接近Et仪,从而对测量结果影响越小,但实际上RN及Et是随着温度变化的,为了减少RN变化的影响,显示仪表的输入电阻越大其影响就越小。分析了热电偶等效电路,下面来分析下一支热电偶连接多台显示仪表或DCS系统板卡的情况。

1、一支热电偶连接两台动圈仪表
结论:一支热电偶并联两台动圈仪表,两台动圈仪表显示值不一致,并低于实际值。

热电偶与两台动圈仪表接线图  


若一支热电偶连两台动圈仪表,其等效电路中RL1和RL2是并联的,故总电阻将减小,这样两台动圈仪表的显示值都会低于。电流I为两台表的电流之和。这时通过每台仪表的电流分别为:
           
                                           
由于各台动圈仪表的内阻不可能相等,故流过各台动圈仪表的电流也不会相等,即I1≠I2,则两表的显示值就会不一致。这种情况下如两台动圈仪表并联使用,是不可能准确显示温度值的。

2、一支热电偶同时连接动圈仪表和电子电位差计
结论:一支热电偶同时连接动圈仪表和电子电位差计,同一温度点在电子电位差计建立平衡之前动圈仪表显示值偏低,电子电位差计建立平衡之后,两者显示值相同。

一支热电偶同时连接动圈仪表和电子电位差计  


从等效电路中看,RL1是动圈仪表,EN是电子电位差计,电子电位差计的工作原理是用测量桥路产生的可调已知电势EN与被测未知电势Et进行比较,当达到平衡时两种相等,Et=EN,这时电子电位差计所指示的就是所测得的热电势Et,且流过电子电位差计的电流I2=0。这时只有通过动圈仪表的电流I1,,即I=I1,这是两台表的指示值是一样的。但这只是理想状态,而在生产中,只要被测温度变化,电子电位差计将失去平衡,这时I2≠0,I1<I,通过动圈仪表的电流将减少,其指示值将偏低。直至电子电位差计建立新的平衡,动圈仪表才能显示准确值,此时对电子电位差计的使之基本是没有影响的。


3、一支热电偶连接两台电子电位差计
结论:一支热电偶同时连接两台电子电位差计,两台电子电位差计都能准确显示温度值。

一支热电偶连接两台电子电位差计  


从等效电路中看,EN1和EN2分别是所接的电子电位差计测量桥路所产生的可调的标准电势,RN为热电偶的等效内阻。当EN1=EN1=Et时,回路电流I=0,当参考端为B点时,A点电位EN1=EN1=Et,可认为A点的电位同时由EN1、EN2维持。EN1、EN2的大小反映了被测温度的变化。从上可看出一支热电偶是可以同时接多台电子电位差计的,且各台表都能正确显示被测温度。


4、一支热电偶连接两台数显表及DCS系统板卡
结论:一支热电偶连接两台数显表及DCS系统,在但多数场合是可以正常显示温度值的,但不推荐这样使用。
现在使用的无纸记录仪、数显表、数据采集卡及模块,其输入级都是使用集成运算放大器。对于开环的集成运算放大器,其正、负端的输入电流很小,通常小于1µA,则输入电流近似等于零,所以集成运放的输入电阻趋于无穷大,即r1→∞。那是否就可以认为这时所接仪表、板卡的输入电阻RL趋于无穷大呢?这是不可能的。上述只是一种理想化的运放模型。从集成运算放大器的两个输入端看进去的动态电阻称为差模输入电阻RID,其大小与输入级的电路有关。其值最低的也有8kΩ,对于高阻输入集成运放其值可达几百兆欧。在实际应用中,运放是应用于闭环状态下的,其输入方式有反相输入、同相输入、差分输入三种形式。反相输入放大器电路,由于有“虚地”,其输入电阻较小;同相输入放大器电路由于信号直接从同相端输入,其输入电阻为无穷大,与外接的电阻无关,这是区别于反相放大器的,它适用于输入阻抗要求很高的场合。以上三种输入形式中,以同相输入的输入电阻最大,理想情况为无穷大;反相输入的输入电阻最小;而差分输入的电阻高于反相输入而低于同相输入。

由于热电偶信号属于微弱信号,而在对微弱信号进行测量时,要求放大器应具有较高的输入阻抗,所以配合热电偶测量用的集成运算放大器,几乎全是选用高输入阻抗的产品,这也为一支热电偶接多台提供了一定的条件。可以说在大多数场合,对于使用集成运算放大器作为输入级的显示仪表、数据采集板卡、模块是可以一支热电偶的信号供多台仪表使用的,其分流所产生的影响很小。

一支热电偶连接多台数显表及DCS系统板卡的具体问题
一支热电偶连接多台数显表及DCS系统板卡固然可行,除了特殊应用,不推荐用这种方法。因为这样的做法只是节约了一支热电偶及部分补偿导线的投资,但其存在不利的因素:
A、热电偶出现问题,则所有与其相连的仪表都将没有信号,对于重要的测温场合显然是不安全的,有条件时可在同一测温点再加装一支热电偶更妥。一支热电偶连接多台数显表或DCS系统板卡时,最麻烦的是所有仪表显示值得同步问题,从误差理论来看,所有仪表是不可能做到误差大小一致的,同一温度点显示值不一致,操作工就会认为仪表不准确,要求仪表工进行处理和校验,仪表工再三解释也不一定起作用,因为操作工不一定会认同仪表的误差理论。所以除非工艺有强烈的使用要求,否则仪表工就不要自寻烦恼了。

B、一支热电偶接多台表能正常使用是好事,但有些实际问题使应用并不乐观,热电偶属于低阻抗、微弱信号的传感器,其信号只可以传输数百米,配合高增益的集成运算放大器使用,最头疼的问题是干扰,热电偶信号往往会伴随有共模干扰;一支热电偶接多表等于增加了显示仪表的输入接线,由于引线走向的不确定性,加之线间分布电容的影响,都很容易引入各种干扰信号,再就是补偿导线的价格也不低;一支热电偶接两台仪表时总要从端子并线,由于补偿导线较硬,在一个端子上压接两根补偿导线是很费力的,如果端子螺钉较细还很难压紧,如果接触不良又怎能保证指示准确呢?

一支热电偶连接多台数显表或DCS系统板卡的最佳方案
①将热电偶信号送入温度变送器(一入二出,导轨安装),然后将隔离信号分别送给数显表和DCS系统。这样可以提高系统抗干扰能力,保证系统稳定性和可靠性。
②将一体化热电偶温度变送器信号送入隔离配电器(一入二出,导轨安装),然后将隔离信号分别送给数显表和DCS系统。
③将热电偶信号送入数显表,再将数显表变送输出接入另一台数显表或DCS系统板卡。因数显表变送输出精度不及信号隔离器精度高,会带来无法消除的测量误差。
④同一个测温点安装两支热电偶,将信号分别送给两台数显表或DCS系统。

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