第7章 礦山安全檢測儀表系統(tǒng)

第七章礦山安全檢測儀表系統(tǒng)

第一節(jié)安全檢測儀表系統(tǒng)組成 第二節(jié)檢測敏感元件 第三節(jié)信號轉(zhuǎn)換及采集單元 第四節(jié)數(shù)據(jù)處理及管理單元 第五節(jié)信號顯示輸出單元 第六節(jié)信號變送輸出單元 第七節(jié)控制調(diào)節(jié)執(zhí)行單元第一節(jié)安全檢測儀表系統(tǒng)組成1模擬式儀表系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)原理1.1彈簧指針式儀表1.2動圈顯示式儀表1.2.1

動圈指示儀表的內(nèi)部線路1.2.2

動圈指示儀表的外接電阻1.3

自動平衡顯示儀表1.3.1

自動平衡顯示儀表的基本原理1.3.2自動電位差計1.3.3

自動平衡電橋1.4

電動單元組合儀表1.4.1

電動單元組合儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)1.4.2

電動單元組合儀表的信號制2數(shù)字式儀表系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)原理

2.1

數(shù)字顯示儀表的組成2.2數(shù)字面板表3

智能式儀表系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)原理3.1智能化儀表的特點3.2

智能化儀表系統(tǒng)組成第一節(jié)安全檢測儀表系統(tǒng)組成根據(jù)檢測儀表的工作原理，可以將其劃分為：模擬式儀表、數(shù)字式儀表和智能式儀表三種儀表系統(tǒng)。其中，模擬式儀表可以劃分為彈簧指針式、動圈式和電動組合式儀表；數(shù)字式儀表和智能式儀表分別劃分為便攜式和固定式儀表(在煤礦俗稱傳感器)。根據(jù)圖7-1，檢測儀表系統(tǒng)大致有三大類，其系統(tǒng)組成也各不相同。模擬式儀表結(jié)構(gòu)簡單可靠，但測量精度低；數(shù)字式和智能式儀表結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但測量精度高，以利于數(shù)據(jù)交換、儲存和分析，而且數(shù)字式和智能式儀表還有利于組成監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)連續(xù)監(jiān)測監(jiān)控。圖7-1檢測儀表系統(tǒng)類型1模擬式儀表系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)原理

模擬式儀表主要由傳感器、指示驅(qū)動機構(gòu)和示數(shù)裝置三大部分組成。1.1彈簧指針式儀表彈簧指針式儀表的工作原理主要是利用各種不同形狀的彈性元件受力變形的原理制成的測量儀表，使得彈性元件發(fā)生位移。從而推動指針向著一定的方向運動。并指示出相應(yīng)的被測量值。這類儀表主要用于測量與力有關(guān)的被測物理量參數(shù)，如壓力(包括差壓)測量等，人們通常吧這類儀表叫“彈性式壓力測量儀表”。圖7-2彈簧指針式儀表結(jié)構(gòu)

彈性式壓力測量儀表按采用的彈性元件不同分為彈簧管壓力表、膜片壓力表、膜盒壓力表和波紋管壓力表等。在圖7-2中，彈簧管既是感力傳感元件(傳感器)，又與拉桿和扇形齒輪傳動機構(gòu)組成指示驅(qū)動機構(gòu)、指針和刻度盤組成示數(shù)裝置。

彈性式壓力測量儀表特點：

這種儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、讀數(shù)清晰、牢固可靠、價格低廉、測量范圍寬(-0.1～1500兆帕)以及有足夠的精度等優(yōu)點。

若增加附加裝置，如記錄機構(gòu)、電氣變換裝置、控制元件等，則可以實現(xiàn)壓力的記錄、遠(yuǎn)傳、信號報警、自動控制等。

彈性式壓力計可以用來測量幾百帕到數(shù)千兆帕范圍內(nèi)的壓力，因此在工業(yè)上是應(yīng)用最為廣泛的一種測壓儀表。1.2動圈顯示式儀表

動圈式儀表的測量機構(gòu)是一個磁電系檢流計，如圖7-3(a)所示。它由永久磁鐵、可動線圈、張絲、指針、刻度標(biāo)尺、鐵芯等構(gòu)成。測量機構(gòu)與測量線路組成動圈式指示儀表，若再配以給定機構(gòu)可組成調(diào)節(jié)儀表。動圈式儀表結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，易于維護，精度可達(dá)1.0級，與各種敏感元件和傳感器、變送器配合，廣泛應(yīng)用于溫度、壓力、成分、物位等非電量的測量。圖7-3動圈式指示儀表的組成

(a)測量機構(gòu)；(b)測量線路1.2.1動圈指示儀表的內(nèi)部線路

動圈指示儀表的測量線路是由串聯(lián)量程調(diào)整電阻RM、串聯(lián)溫度補償電阻RT和與RT并聯(lián)的線性補償電阻RB等組成。RM用錳銅絲繞制，阻值一般在200～1000Ω之間，調(diào)整RM可得到所需要的量程；RT用來補償動圈電阻RD的溫度特性，在20℃時，選RT=68Ω；RB=50Ω為錳銅絲電阻，用來補償RT的非線性。1.2.2

動圈指示儀表的外接電阻

根據(jù)磁電檢流計的原理，指針的偏轉(zhuǎn)角與回路電流成正比，當(dāng)輸入電壓一定時，它取決于回路的總電阻。儀表內(nèi)部電阻可確定，而外部電阻是被測電路的等效電阻，不能事先確定。為了給儀表定度，規(guī)定外部電阻為15Ω。儀表出廠時配帶一只15Ω的錳銅絲線繞電阻，使用時拆去一部分，拆去部分等于被測電路工作狀態(tài)下的電阻值，將剩余部分串接在回路中。圖7-4

動圈儀表電路

1.3自動平衡顯示儀表1.3.1

自動平衡顯示儀表的基本原理如圖7-5所示，自動平衡顯示儀表利用電子放大器代替人眼和檢流計，根據(jù)誤差信號的極性和大小控制可逆電動機轉(zhuǎn)動，帶動測量橋路中的位置傳感器(滑線電位器或差動變壓器及凸輪等)對電路進行調(diào)整，自動實現(xiàn)平衡。橋路平衡時不從傳感器取用電流，并且無指針和記錄筆等的摩擦，從而提高了儀表的靈敏度、精度與速度，可帶動記錄、調(diào)節(jié)、報警、積算等附加裝置，具有多種功能。它們與熱電偶、熱電阻及其他測量元件(或變送器)配套后，可以自動地連續(xù)測量并記錄溫度、壓力、流量、物位等參數(shù)的變化規(guī)律。圖7-5

自動平衡顯示儀表框圖

1.3.2自動電位差計自動電位差計一般分兩大類：一類用于測溫，另一類用于測量直流電壓或電流。測溫的自動電位差計為XW系列，它是利用不平衡電橋的輸出電壓UAB來補償熱電偶的熱電勢Ux，若UAB≠Ux，其差值ΔU經(jīng)放大器放大輸出，控制可逆電機轉(zhuǎn)動，它帶動滑線電阻的滑點移動，自動調(diào)節(jié)電橋輸出電壓，直到UAB=Ux，可逆電機停轉(zhuǎn)，整個系統(tǒng)達(dá)到了平衡。自動電位差計的測量橋路如圖7-6所示。以電源對角線CF為界，分為上、下兩個支路，電流分別為I1和I2。按照統(tǒng)一設(shè)計的規(guī)定，有滑線電阻RH的上支路，工作電流I1=4mA；有銅電阻RCu的下支路，工作電流I2=2mA，總工作電流為6mA。也有些自動電位差計，上、下支路都用2mA，總工作電流為4mA。橋路電源一律采用E=1V的晶體管直流穩(wěn)壓電源。不用標(biāo)準(zhǔn)電池，也無需用標(biāo)準(zhǔn)電池整定，其精度即可滿足工業(yè)儀表的要求。

圖7-6

自動電位差計測量橋

1.3.3

自動平衡電橋

自動平衡電橋為XQ系列，與熱電阻配合，用來測量溫度。與自動電位差計橋路所不同的是傳感器接在橋臂之中。如圖7-7所示為自動平衡電橋的測量橋路。圖中，C1、C2和C3點是自動平衡電橋與測溫?zé)犭娮璧倪B接點，采用2.5Ω定值導(dǎo)線三線制接法。定值導(dǎo)線是規(guī)定每根導(dǎo)線(包括熱電阻的引線及連接導(dǎo)線)的電阻應(yīng)為2.5Ω，不足部分用錳銅調(diào)整電阻RW補足。為了便于生產(chǎn)，將R3和R4做成同樣阻值。其他電阻計算方法與自動電位差計相仿。圖7-7

自動平衡電橋測量橋路

1.4電動單元組合儀表1.4.1

電動單元組合儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖7-8是由電動單元組合儀表構(gòu)成的簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖，圖中調(diào)節(jié)對象代表生產(chǎn)過程中的某個設(shè)備，其輸出為被調(diào)參數(shù)(如壓力、流量、溫度等工藝參數(shù))。這些工藝參數(shù)經(jīng)變送單元轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號后，一方面送到顯示單元供指示或記錄，另一方面又送到調(diào)節(jié)單元中，與給定單元送來的給定值相比較。調(diào)節(jié)單元按照比較后輸出的偏差，經(jīng)過某種運算后發(fā)出調(diào)節(jié)信號，控制執(zhí)行單元的動作，直到被調(diào)參數(shù)與給定值相等為止。

圖7-8

電動組合儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖

1.4.2

電動單元組合儀表的信號制電動單元組合儀有三代產(chǎn)品。目前，電子管式的DDZ-Ⅰ系列已淘汰，DDZ-Ⅱ和DDZ-Ⅲ系列在我國尚有應(yīng)用。DDZ系列儀表的組成單元主要有變送單元、調(diào)節(jié)單元、執(zhí)行單元、顯示儀表、給定單元、計算單元、轉(zhuǎn)換單元、輔助單元。DDZ-Ⅱ系列儀表以晶體管為主要元件，采用交流220V電源，各單元之間的聯(lián)絡(luò)信號為直流0～10mA，精度一般為0.5級。各單元儀表串聯(lián)，可保證各單元接受的信號完全一致；適合于遠(yuǎn)距離傳送；與磁場作用可產(chǎn)生機械力，便于利用力平衡原理；信號的起始值為零，便于對模擬量進行運算，但無法識別斷線，不易避開元件的死區(qū)和非線性段。DDZ-Ⅲ系列的絕大多數(shù)核心電路是線性運算放大器或邏輯組件，采用4～20mA信號制，提高了可靠性和帶負(fù)載能力，克服了DDZ-Ⅱ系列的弊端，已基本取代了DDZ-Ⅱ系列儀表。如圖7-9所示，DDZ-Ⅲ系列各單元儀表采用現(xiàn)場串聯(lián)，室內(nèi)并聯(lián)(并聯(lián)250Ω電阻可轉(zhuǎn)換為1～5V的電壓信號)的聯(lián)絡(luò)方式，直流15～24V集中供電(在電路內(nèi)部分成14V和-10V雙電源)，采用低壓供電易于構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)。

圖7-9DDZ-Ⅲ系列儀表的聯(lián)絡(luò)方式

2數(shù)字式儀表系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)原理

2.1數(shù)字顯示儀表的組成數(shù)字顯示儀表一般由傳感器、信號調(diào)理電路、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器(數(shù)字面板表)、顯示器、D/A轉(zhuǎn)換器(V/I變換電路)、報警電路和電源等部分所組成。其中根據(jù)使用不同，便攜式儀表沒有D/A轉(zhuǎn)換器(V/I變換電路)，固定式儀表還有信號輸出電路，如V/I變換電路或V/f變換電路。便攜式數(shù)字儀表和固定式數(shù)字儀表組成分別見圖7-10和圖7-11所示。圖7-10

便攜式數(shù)字儀表構(gòu)成原理

圖7-11

固定式數(shù)字儀表構(gòu)成原理

2.2數(shù)字面板表數(shù)字面板表簡稱DPM，是一個由雙積分A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的不帶外殼的直流數(shù)字電壓表，將直流電壓信號線性地轉(zhuǎn)為數(shù)字顯示。它像一個表頭那樣可以裝在儀表的外殼上，與各種傳感器及相應(yīng)電路配合構(gòu)成各種非電量檢測儀表。常用的顯示位數(shù)為兩位半(

位)、三位半(位)、四位半(位)等。

3

智能式儀表系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)原理3.1智能化儀表的特點結(jié)構(gòu)特點(1)以微型計算機為核心，其他部分均為外圍設(shè)備，易于實現(xiàn)模塊化積木式結(jié)構(gòu)。(2)采用總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用微計算機的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；外部采用通用接口總線。(3)面板采用鍵盤操作，既簡化制造工藝，又便于操作。(4)部分硬件可由軟件代替，成本低、功能靈活、體積小、重量輕。性能特點(1)存儲功能：可對大量的數(shù)據(jù)(測量結(jié)果、各種標(biāo)準(zhǔn)量值或備用參數(shù))進行存儲。(2)運算功能：對被測量進行數(shù)學(xué)運算，如求平均值、方差、百分誤差等。(3)控制功能：用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的邏輯電路進行各種邏輯判斷，使系統(tǒng)的控制功能更加靈活、可靠，如量程的自動控制。(4)補償功能：對周圍環(huán)境的影響和被測量的特性進行補償。

(5)自校準(zhǔn)功能：自動對機箱內(nèi)的基準(zhǔn)量進行測量，并獲得一組校準(zhǔn)參數(shù)，然后通過運算功能進行處理。(6)自診斷功能：對裝置的主要環(huán)節(jié)自動進行故障診斷，從而提高可靠性和可維修性。智能檢測系統(tǒng)因為具有上述特點，所以不僅使其一次可獲得并處理大批信息，使實時處理得以實現(xiàn)，而且在整體功能、測量精度和測量范圍方面也得到巨大改進。因此，智能化檢測儀表不僅是儀器儀表，而且是自動控制和機器人的發(fā)展方向。3.2智能化儀表系統(tǒng)組成

智能式儀表一般由信號輸入電路、數(shù)據(jù)處理電路、人機接口電路、信號輸出電路和電源電路等五部分所組成。

信號輸入電路：傳感器或敏感元件、信號調(diào)理電路、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等；

數(shù)據(jù)處理電路：微型單片計算機、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、接口電路等；

人機接口電路：鍵盤及譯碼電路(遙控器接收及譯碼電路)、顯示電路、報警電路、打印接口電路等；

信號輸出電路：D/A轉(zhuǎn)換器及驅(qū)動電路、V/I變換電路或頻率信號發(fā)生電路、串口通訊電路等；

電源電路：DC-DC轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電源電路等。圖7-12

便攜式智能儀表構(gòu)成原理

圖7-13

固定式智能儀表構(gòu)成原理

智能儀器的主體部分是由單片機及其擴展電路（程序存儲器EPROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM及輸入輸出接口等）組成的。主機電路是智能儀器區(qū)別于傳統(tǒng)儀器的核心部件，用于存儲程序、數(shù)據(jù)，執(zhí)行程序并進行各種運算、數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)各種控制功能。輸入電路和A/D轉(zhuǎn)換接口構(gòu)成了輸入通道；而D/A轉(zhuǎn)換接口及驅(qū)動電路則構(gòu)成了輸出通道；鍵盤輸入接口、顯示器接口及打印機接口等用于溝通操作者與智能儀器之間的聯(lián)系，屬于人—機接口部件；通信接口則用來實現(xiàn)智能儀器與其他儀器或設(shè)備交換數(shù)據(jù)和信息。智能儀器的軟件包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。其中，監(jiān)控程序主要是面向儀器操作面板、鍵盤和顯示器的管理程序。其內(nèi)容包括：通過鍵盤操作輸入并存儲所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù)。通過控制I/O接口電路對數(shù)據(jù)進行采集；對儀器進行預(yù)定的設(shè)置；對所測試和記錄的數(shù)據(jù)與狀態(tài)進行各種處理；以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果等。接口管理程序主要面向通信接口，其作用是接收并分析來自通信接口總線的各種有關(guān)信息、操作方式與工作參數(shù)的程控操作碼，并通過通信接口輸出儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果來響應(yīng)計算機的遠(yuǎn)程控制命令。智能儀器的工作過程是：外部的輸入信號（被測量）先經(jīng)過輸入電路進行變換、放大、整形和補償?shù)忍幚?，然后再?jīng)模擬量通道的A/D轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，送入單片機。單片機對輸入數(shù)據(jù)進行加工處理、分析、計算等一系列工作，并將運算結(jié)果存入數(shù)據(jù)存儲器RAM中。同時，可通過顯示器接口送至顯示器顯示，或通過打印機接口送至微型打印機打印輸出，也可以將輸出的數(shù)字量經(jīng)模擬量通道的D/A轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成模擬量信號輸出，并經(jīng)過驅(qū)動與執(zhí)行電路去控制被控對象，還可以通過通信接口（例如RS-232、RS485等）或V/I變換電路和頻率信號發(fā)生電路實現(xiàn)與其他智能儀器的數(shù)據(jù)通信，完成更復(fù)雜的測量與控制任務(wù)。第二節(jié)檢測敏感元件

1甲烷敏感元件

1.1MJC4/3.0L、MJC4/2.9J載體催化元件

1.2GJ系列熱導(dǎo)元件

2一氧化碳敏感元件

3二氧化碳敏感元件

4氧氣敏感元件

5溫度敏感元件

6煙霧離子敏感元件第二節(jié)檢測敏感元件礦山安全檢測任務(wù)主要對環(huán)境參數(shù)、通風(fēng)參數(shù)、供電參數(shù)、粉塵濃度、煤位和設(shè)備開停狀態(tài)等進行監(jiān)測監(jiān)控。

環(huán)境參數(shù)：甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、溫度；

通風(fēng)參數(shù)：風(fēng)速和通風(fēng)負(fù)壓；

供電參數(shù)：電壓和電流；

設(shè)備開停：設(shè)備開停狀態(tài)(開停)、設(shè)備供電狀態(tài)(饋電)、風(fēng)筒開關(guān)、風(fēng)門開關(guān)。1甲烷敏感元件目前國內(nèi)檢測礦井甲烷濃度主要采用載體催化原理和熱導(dǎo)式原理。其中載體催化元件國內(nèi)有14個單位生產(chǎn)，在產(chǎn)品種31個；熱導(dǎo)式元件國內(nèi)有3家生產(chǎn)單位，在產(chǎn)產(chǎn)品5個。1.1MJC4/3.0L、MJC4/2.9J載體催化元件(1)主要技術(shù)指標(biāo)：工作電壓和電流靈敏度

≥15mV/1%CH4基本誤差靈敏度和零點漂移

MJC4/2.9J型元件工作15×10h、MJC4/3.0L型元件工作15×24h，均應(yīng)符合基本誤差要求。使用壽命

在0.5％CH4環(huán)境中工作，其壽命應(yīng)≥1年工作環(huán)境

溫度0～40℃；相對濕度45～75％；大氣壓力80～116kPa

(2)外形圖7-14

MJC4/3.0L、MJC4/2.9J載體催化元件外形圖7-15

MJC4/3.0L、MJC4/2.9J載體催化元件外形尺寸

(3)測試電路圖7-16

MJC4/3.0L、MJC4/2.9J載體催化元件測試電路

(4)應(yīng)用電路圖7-17

MJC4/3.0L、MJC4/2.9J載體催化元件應(yīng)用電路

1.2GJ系列熱導(dǎo)元件

(1)40/24型

工作電壓：2.0VDC

工作電流：≤45mA

測量范圍：4～40％CH4

測量誤差：4～10％CH4±0.8％CH4、10～40％CH4士8％

輸出靈敏度：≥1.00mV/1％CH4

壽命：≥2年

(2)100/8型

工作電壓：3.0VDC

工作電流：≤45mA

測量范圍：4～100％CH4

測量誤差：4～10％CH4±0.8％CH4、10～100％CH4士8％

輸出靈敏度：≥0.2mV/1％CH4

壽命：≥2年2一氧化碳敏感元件目前國內(nèi)檢測礦井一氧化碳濃度主要采用電化學(xué)原理。目前，我國一氧化碳敏感元件主要依靠進口。ME系列電化學(xué)一氧化碳元件

(1)主要參數(shù)

(2)外形圖7-18

ME一氧化碳元件外形

(3)外形尺寸圖7-19

ME一氧化碳元件外形尺寸

(4)基本特征

(5)特性曲線圖7-20

ME一氧化碳元件靈敏度曲線圖7-21

ME一氧化碳元件響應(yīng)恢復(fù)曲線圖7-22

ME一氧化碳元件溫度曲線圖7-23

ME2一氧化碳元件應(yīng)用電路

(6)應(yīng)用電路圖7-24

ME3/4一氧化碳元件應(yīng)用電路3二氧化碳敏感元件目前國內(nèi)檢測礦井二氧化碳濃度主要采用固體電解質(zhì)原理。其元件主要依靠進口。MG811固體電解質(zhì)二氧化碳元件

(1)主要參數(shù)

(2)外形圖7-25

MG811固體電解質(zhì)二氧化碳元件外形

(3)外形尺寸圖7-26

MG811固體電解質(zhì)二氧化碳元件外形尺寸4氧氣敏感元件目前國內(nèi)檢測礦井氧氣濃度大部分采用電化學(xué)式原理。其元件主要依靠進口。ME2/3電化學(xué)式氧氣元件

(1)主要參數(shù)

(2)外形圖7-27

ME2/3電化學(xué)式氧氣元件外形

(3)外形尺寸圖7-28

ME2電化學(xué)式氧氣元件外形尺寸圖7-29

ME3電化學(xué)式氧氣元件外形尺寸

(4)基本特征

(5)特性曲線圖7-30

ME2/3電化學(xué)式氧氣元件靈敏度曲線圖7-31

ME2/3電化學(xué)式氧氣元件響應(yīng)恢復(fù)曲線圖7-32

ME2/3電化學(xué)式氧氣元件溫度曲線

(6)應(yīng)用電路圖7-33

ME2/3電化學(xué)式氧氣元件應(yīng)用電路5溫度敏感元件溫度檢測原理及元器件種類繁多，作為礦井環(huán)境溫度檢測大部分都采用PN節(jié)溫度檢測原理和紅外溫度檢測原理，極少部分也采用集成式溫度傳感器。HN線性NTC溫度檢測元件

(1)外形圖7-34

HN線性NTC溫度檢測元件外形

(2)基本性能HN線性NTC溫度傳感器體積小，重量輕，感溫靈敏，非常適合于火災(zāi)報警，辦公場所使用，或直接焊接在電路板上.其具體指標(biāo)如下：測溫范圍：-50-200C；線性度：±0.5%；基準(zhǔn)電壓：690-710mv（出廠時具體標(biāo)定）；電壓溫度系數(shù)：-2mv/℃；穩(wěn)定度：0.05C/年；外形結(jié)構(gòu)：Φ3×8金屬殼封裝；引線：Φ0.5×20/25mm銅鍍錫金屬線；可直接焊接在電路版上。

(3)應(yīng)用電路圖7-35

HN線性NTC溫度檢測元件應(yīng)用電路6煙霧離子敏感元件煙霧檢測一般采用電離原理，其元件一般為進口。HIS-07煙霧離子檢測元件

(1)外形圖7-36

HIS-07煙霧離子檢測元件外形

(2)外形尺寸圖7-37

HIS-07煙霧離子檢測元件外形尺寸

(3)工作原理當(dāng)流經(jīng)內(nèi)外電離室的電離電子流不平衡時，收集極充電直到電離電流達(dá)到平衡。在無煙或無燃燒物時，收集極除受電離電流統(tǒng)計漲落影響外，保持平衡電位。當(dāng)煙進入電離室時對電離電流產(chǎn)生影響，易于進煙的外電離室受影響大于內(nèi)電離室，電離電流下降，收集極重新充電直到新的平衡電位，這種電位變化可用于觸發(fā)報警電路。

(4)特色a)單源雙室結(jié)構(gòu)；體積小，便于安裝在小型報警器中；b)在相對溫、濕度40℃和95%條件下，收集極平衡電位變化值在基本參數(shù)范圍內(nèi)；c)電離室結(jié)構(gòu)符合UL2179.5節(jié)對防蟲網(wǎng)的要求；d)不銹鋼和聚酸酯材料及電離源表面金屬鈀均具有高耐腐蝕性能；e)收集極平衡電位一致性好，分散度小，可以用于模擬量感煙探測器；f)所有焊點預(yù)先涂焊料，便于焊接安裝。

(5)技術(shù)規(guī)格

(6)應(yīng)用電離圖7-37

HIS-07煙霧離子檢測元件應(yīng)用電路第三節(jié)信號轉(zhuǎn)換及采集單元

第三節(jié)信號轉(zhuǎn)換及采集單元信號轉(zhuǎn)換及采集單元包括前置放大器、信號調(diào)理電路、

信號轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

前置放大器、信號調(diào)理電路、

信號轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往被統(tǒng)稱為信號采集電路或采集單元，它是儀表系統(tǒng)中的信號輸入單元電路。針對不同的信號往往需要不同的采集電路，如大信號輸出傳感器和數(shù)字式傳感器等就不需要前置放大器，僅對傳感器信號進行整形濾波和信號轉(zhuǎn)換后就可以將信號輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)字式傳感器則不需要A/D轉(zhuǎn)換器，可以直接將傳感器信號輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1前置放大器

在許多檢測技術(shù)的應(yīng)用場合，傳感器輸出的信號比較弱，而且其中還包括了工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大電路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，習(xí)慣上將具有這樣特點的放大器稱為儀用放大器或前置放大器。如圖7-38所示。

圖7-38

前置放大器＋－＋－＋－A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo(7-1)

圖7-38中三個運放組成的測量放大器，差動輸入端U1和U2分別是兩個運算放大器(A1、A2)的同相輸入端，因此輸入阻抗很高。采用對稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測信號直接加入到輸入端上，從而保證了較強的抑制共模信號的能力。A3實際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。放大器的放大倍數(shù)由式7-1確定：

U＋＋Ui－-UiRG8114236139111874510kWAD522輸出基準(zhǔn)μ?地U－

AD522主要可用于惡劣環(huán)境下要求進行高精度數(shù)據(jù)采集的場合。由于AD522具有低電壓漂移(2μV/℃)、低非線性(0.005％，增益為100時)、高共模抑制比(>110dB，增益為1000時)、低噪聲(1.5V（P-P），0.1～100Hz)、低失調(diào)電壓(100V)等特點，因而可用于許多12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。圖7-39為AD522的典型接法。圖7-39AD522放大電路

選擇不同的開關(guān)閉合，即可實現(xiàn)增益的變換。如果利用軟件對開關(guān)閉合情況進行選擇，即可實現(xiàn)程控增益變換。

1.1程控增益放大器

利用改變反饋電阻的辦法來實現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當(dāng)開關(guān)S1閉合，S2和S3斷開時，放大倍數(shù)為：

R3R2R1S3S2S1UoR＋－UiR??

而當(dāng)S2閉合，而其余兩個開關(guān)斷開時，其放大倍數(shù)為：(7-2)(7-3)圖7-40程控增益放大器電路

AD521測量放大器與模擬開關(guān)結(jié)合組成的程控增益放大器，通過改變其外接電阻R的辦法可實現(xiàn)增益控制。如圖7-41所示。

AD5214052Uo7121310811123465U￡?U￡-D0D1R圖7-41AD521和模擬開關(guān)構(gòu)成的程控增益放大器

1.2隔離放大器

由于隔離放大器采用了浮離式設(shè)計，消除了輸入、輸出端之間的耦合，因此還具有以下特點：(1)能保護系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害，防止高壓對低壓信號系統(tǒng)的損壞。(2)泄漏電流低，對于測量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路。(3)共模抑制比高，能對直流和低頻信號(電壓或電流)進行準(zhǔn)確、安全的測量。

信號傳遞的主要方式：

(1)電磁耦合(2)光電耦合

1.2.1變壓器隔離放大器

+-1A調(diào)制器隔離電源解調(diào)器振蕩器+-2A輸入屏蔽輸出屏蔽uOuI圖7-42變壓器隔離放大器原理圖

284型隔離放大器為提高微電流和低頻信號的測量精度，減小漂移，其電路采用調(diào)制式放大，其內(nèi)部分為輸入、輸出和電源三個彼此相互隔離的部分，并由低泄漏高頻載波變壓器耦合在一起。通過變壓器的耦合，將電源電壓送入輸入電路并將信號從輸出電路送出。輸入部分包括雙極型前置放大器、調(diào)制器；輸出部分包括解調(diào)器和濾波器，一般在濾波器后還有緩沖放大器。

圖7-43284型隔離放大器的電路結(jié)構(gòu)圖

(+VCC)(–VEE)+-1A調(diào)制器隔離電源解調(diào)器振蕩器+-2A輸入屏蔽輸出屏蔽16151114101213126873495(+15V)(-15V)圖7-44變壓器隔離放大器AD277原理圖

1.2.2

光電耦合隔離放大器

光電耦合器的特點：耦合器中的發(fā)光和光敏元件都是非線性器件非線性器件傳輸模擬信號將會導(dǎo)致信號失真

克服非線性失真通常采取的措施：給非線性器件施加合適的直流偏置，在小范圍內(nèi)線性傳輸信息。采用負(fù)反饋技術(shù)。

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1

R4

R1

uI

uo

R3

1500pf圖7-45光電耦合隔離放大器原理圖電壓并聯(lián)負(fù)反饋

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1

R4

R1

uI

uo

R3

1500pf圖7-46光電耦合隔離放大器電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路電壓串聯(lián)負(fù)反饋

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1

R4

R1

uI

uo

R3

1500pf圖7-47光電耦合隔離放大器電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路電壓串聯(lián)負(fù)反饋

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1

R4

R1

uI

uo

R3

1500pf圖7-48光電耦合隔離放大器電壓串聯(lián)負(fù)反饋判據(jù)電壓并聯(lián)