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2 儀器結構與測溫原理
2·1 測量原理
如圖1所示,反射鏡與探測器對稱地置于待測表面法線的兩側。當反射鏡不起作用時,探測器接收到的輻射能P1為
式中:D為光瞳口徑,f′為光學接收系統的焦距,τ0為大氣的傳播系數,A為探測器的靈敏元面積,η為調制盤的調制系數,ελ為溫度為T的待測目標在波長λ處的發射率,Lλ為溫度為T的黑體在波長λ處的輻射出射度,τλ為光學系統對波長為λ的光的總透過率。
當反射鏡起作用時,反射鏡將紅外輻射反射回待測區域的單色輻射能為
并結合式(1)或式(2),即可求出待測表面的溫度。式(6)中,h為Planck常數,k為Boltzmann常數,c為光速。
2·2 儀器結構
該儀器主要由光學接收系統、號放大與處理系統及顯示系統三部分組成。工作時,接收鏡頭接收到的光號(P1、P2),經窄帶干涉濾光片濾光后,再經由PIN硅光電二極管構成的光電轉換系統轉換成電號。該號經前置放大、選頻放大、脈寬壓縮、模-數轉換后送入8031單片機系統進行數據處理,計算出待測表面的發射率及溫度。
電路中所需的各種觸發與同步號,均由同步光電系統產生:透過調制盤上鑲嵌的同步濾光片的光號,先經光電轉換系統轉變成電號,再經整形放大后送入8031單片機,適當延時后分別去觸發、同步各個需要觸發和同步的號。
調制盤的結構簡圖見圖2。其中1、2、4號窗口貼的是波長為0·80μm的窄帶干涉濾光片(帶寬20nm)。3號窗口貼的是波長為1·00μm的濾光片,帶寬約0·1μm(無嚴格要求)。5、6號窗口貼的是波長為1·00μm的濾光片(帶寬也無嚴格要求)。調制盤的轉速為1 200 r/min。
調制盤的具體調制情況如下:(1)當待測表面的光輻射透過3號窗口到達反射鏡、并由反射鏡反射后再次穿過3號濾光片回到待測區域時,1號窗口正對探測器。對于這種情況,反射鏡不起作用。這是因為透過3號濾光片后又回到待測區域的光的中心波長為1·00μm,帶寬約0·1μm。而1號窗口只能通過中心波長為0·80μm、帶寬僅20 nm的光,因此探測器接收到的僅是“直射”能(P1);此時,由5號窗口透過的光輻射形成觸發、同步號;(2)當待測表面的光輻射透過4號窗口到達反射鏡、并由反射鏡反射后再次穿過4號窗口回到待測區域時,2號窗口正對探測器。對于這種情況,反射鏡起作用。探測器接收到的是“直射”能與“反射”能之和(P2);此時,由6號窗口透過的光輻射形成觸發、同步號;(3)當待測表面的光輻射透過1號窗口到達反射鏡時,3號窗口正對探測器。情況與(1)類似,不同的只是探測器接收到的是波長為1·00μm的光輻射。后續電路雖對該號進行放大處理,但因模-數轉換電路沒有觸發號和同步號,因此不對其進行模-數轉換;(4)當待測表面的光輻射透過2號窗口到達反射鏡時,4號窗口正對探測器。情況與(3)類似,不同的只是探測器接收到的是波長為0·80μm的光輻射。后續電路雖對該號進行放大處理,但同樣因模-數轉換電路沒有觸發號和同步號,故不對其進行模-數轉換。
為什么有時PLC接收到的現場號誤差大且穩定性差？
造成這種現象的原因很多，不同儀表號參考點之間的電位差是重要因素。由于這個“電位差”造成儀表號之間產生干擾電流，致使PLC誤差大且穩定性差。所以不同設備、儀表的號有一個共同的參考點是佳狀況。隔離器使輸入/輸出電氣上完全隔離，在PLC模擬接口板形成共同的參考點，達到理想狀況問題就解決了。
設計隔離端子的原則是什么？
需要為每臺隔離器都配電源嗎？設計要遵循兩個原則。：外部設備與中央處理系統（例如PLC、DCS）之間要進行電氣隔離。第二：外部設備號（無論是向中央處理系統發送號的外部設備到還是接收號的外部設備）之間要實現相互電氣隔離。例如要把PLC輸出的一路號傳給兩個外部設備就要求輸入/輸出保證隔離的同時二個輸出之間也是隔離的。 如果隔離端子的外加工作電源與輸入/輸出兩個部分都隔離，那么不管隔離器數量的多少，都可只用一臺電源供電。
對4-20mA通道進行隔離，而機柜里沒有放置電源的空間了，怎么辦？
介紹一種無源號隔離器，它能實現4-20mA號隔離且無需外接電源。MHM-05A、MHM-05C就是此類產品。
現在市場有那么多品牌的隔離器，價格參差不齊，該怎么選擇呢？
隔離器位于二個系統通道之間，所以選擇隔離器首先要確定輸入輸出功能，同時要使隔離器輸入輸出模式（電壓型、電流型、環路供電型等）適應前后端通道接口模式。此外尚有精度﹑功耗﹑噪音﹑絕緣強度﹑總線通訊功能等許多重要參數涉及產品性能，例如噪音與精度有關、功耗熱量與可靠性有關，這些需要使用者慎選?？傊m用、可靠、產品性價比是選擇隔離器的主要原則。
DCS接收到的現場二線制壓力變送器號不穩定，怎么解決？
二線制變送器在工業自動化領域中使用頻度較高，與其他工業現場設備相同，二線制變送器也存在受干擾及抗干擾的問題。依據DCS模擬板接口模式（電流型或環路供電型）選用功能不同的隔離配電器，原則上要求它既能給變送器提供隔離電源、保證每個變送器有一個獨立電源，又能將變送器號隔離輸送到DCS。
PLC模擬板接口是二線回路供電方式的，而且需要對號進行隔離，應該怎樣選用產品呢？
二線回路供電方式是一種常見模擬接口。與這個接口相適合的產品稱為二線制回路隔離系列產品。這種隔離變送器內部的隔離器件均采用變壓器方式，一方面傳遞了號，另一方面也將供電端的電能傳送到輸入部份，使輸入部分的各種電路能正常工作。該系列中有處理Pt100、Cu50、熱偶等溫度傳感器,也有處理電壓、電流號的日本M-system公司的B5VS、B5RS、B5TS以及德國weidmuller公司的產品。
有幾種常用二線制配電器？請舉例。
常用的二線制隔離配電器有兩個系列品種可以選擇。兩個系列產品的共同點是均能通過外部供電電源經隔離后給兩線制變送器提供一個獨立的隔離電源；區別有二點，需要一個單獨電源供電，這個電源與輸入/輸出都隔離。MHM-05系列無須單獨電源供電，它只有輸入/輸出端，不需要電源供電。輸出的4～20mA面對接口是電阻負載。選擇無源隔離器產品的為現場變送器配電所配PLC、DCS模擬量輸入端模式給現場安裝會帶來很大的方便.。
低功耗是電子產品設計永無止境的追求，伴隨技術的發展，目前隔離器和柵的功耗與過去相比，已經減小許多，性能和技術指標也得到提高。
產品的功耗是各個功能單元功耗的總和，只有降低各個功能單元的功耗才能使得總得功耗降低，增加產品的熱穩定性和壽命。隔離器和柵由輸入、輸出、隔離、電源、等單元構成，其中單元是無源的限壓限流網絡，技術上進行低功耗改進的可能性非常小。主要在輸入、輸出、電源、隔離四個單元進行技術改進。
1、 輸出單元模塊的自適應負載技術
輸出模塊可以根據負載的大小動態調整輸出模塊的輸出功率，從而減少自身的發熱。傳統的負載設計是根據額定負載的大小設計輸出功率，當輸出負載非常小時，多余的負載功率就耗散在儀表內部，從而時儀表自身發熱。假設一臺隔離器的輸出負載設計為750歐姆，那么輸出驅動功率一般設計為0.5W。如果在實際應用中此隔離器的負載使用在50歐姆的環境下，那么就有 0.5W – 0.02W = 0.48W的功率轉換為儀表自身的發熱。如果時多路輸出將產生更多的熱量，而降低輸出模塊的額定功率在實際應用中又難以應付市場的復雜狀況。
自適應負載技術很好的解決了這個矛盾，此技術的原理圖示如下：
下表是對比的測試數據:
測試條件：電源24DC；負載變化 50歐姆～750歐姆
輸出模塊類型 標準輸出模塊自適應負載輸出模塊
模塊的耗散功率（50Ω） 320mW 10mW
模塊的耗散功率（250Ω） 220mW 10mW
模塊的耗散功率（500Ω） 120mW 10mW
模塊的耗散功率（750Ω） 20mW 10mW
從上表可以看到：自適應負載技術使得模塊的耗散功率是恒定在一個很低的水平，不會受到負載變化的影響。
負荷檢測可以根據負載的大小調整輸出功率，極大的減少了輸出模塊的發熱，用戶在定貨時無須說明負載大小，極大的方便了用戶的使用和緩解了庫存壓力。
2、 隔離單元模塊的低功耗改進
隔離單元是決定產品技術指標的重要單元。
目前隔離技術主要有磁隔離與光隔離兩大類。隔離電路形式有直接調制耦合，反饋調制耦合等多種形式，具體采用什么形式要根據產品的技術指標而定。 總的來講可以大致分為開關量號采用光隔離，模擬量號采用磁隔離的方式。從技術復雜程度來看，磁隔離比光隔離處理技術復雜，采用磁隔離技術， 設計者可以根據技術指標采用合適的設計方案，隔離的線性、精度可以根據產品要求靈活控制。而光隔離的線性、精度只能依賴器件廠家提供的技術指標， 設計人員可以調整的方式很少，也不可能超過廠家提供的技術指標。由于功耗大，光電隔離也不能實現無源隔離。北京國電中自電氣有限公司采用電流互感模式、電流互感反饋模式、 電壓互感模式、電壓互感反饋模式、電流互感功率補償模式等多種磁隔離方式。根據產品的特點選擇不同的磁隔離模式。
上述隔離模式中，電流互感功率補償模式是功耗低的模式，目前在新一代的無源隔離柵中使用，在保證技術指標的同時，降低了隔離單元的功耗。
3、電源模塊
電源的技術指標是基礎，決定產品的性能。目前流行的電源拓撲形式雖然非常多，也很成熟。但我們在隔離器和柵的電源設計中進行了技術創新，目前采用的參數式開關穩壓電源設計獲得了的發明專利。根據隔離器和柵的特點，參數式開關穩壓穩壓電源了效率，降低了電源的復雜程度。從工藝和成本上得到改進，減少了產品的故障率。
三、無源隔離器和柵
傳統的隔離器和柵均為有源，需要外接24V直流電源。而無源隔離器和柵不需要外接24V直流電源，接線數量減少了三分之一，降低了安裝和維護難度。因此，無源隔離器和柵的應用越來越廣泛，特別是在DCS和PLC系統的接口應用中，普遍采用無源隔離器和柵的設計模式
無源隔離器和柵的示意圖：
無源隔離器和柵是指無須外接24V直流電源，其工作所需要的能量來源于表示號的4 ~ 20mA電流。因此，無源隔離器和柵的功耗必須非常小，是一種功耗的設計應用。更低的功耗和更高的輸入、輸出線性是衡量無源隔離器和柵的關鍵指標。
說明：
智能隔離器是將輸入單路或雙路的電流或電壓號，變送輸出隔離的單路或雙路線性的電流或電壓號，并提高輸入、輸出、電源之間的電氣隔離性能。
供電方式
隔離器常見的供電方式有獨立供電、回路供電和輸出回路供電。
獨立供電的隔離器：
需要配備獨立20~35VDC的直流電源。這種方式的優點是隔離傳輸精度高；電源、輸入、輸出之間完全隔離，多路系統供電電源不需隔離，可保證高抗干擾性能，輸入號可以變換為其它類型的型號。
回路供電的隔離器：
在實際工業監控系統中，DCS、PLC或其他顯示儀表具有卡件內部供電的使用越來越廣泛。回路供電型隔離器又往往不能滿足這些卡件對號隔離傳輸精度要求高和二線制變送器配電電壓要求高的條件。因此，輸出回路供電型的隔離器既保留了獨立供電型隔離器的優越性能，又滿足輸出回路供電接口的要求。
技術參數
系統傳輸準確度：±0.2%×F·S
溫度漂移：≤0.005%F·S/℃
工作溫度：工業級標準 -10～+55℃
輸入阻抗：電流：100Ω；電壓：500KV
電流輸出允許外接的負載阻抗：4-20mA輸出時0～500Ω；0-10mA輸出時0～1KΩ
電磁兼容：符合IEC61000-4-4：1995中所規定的第四類（惡劣工業現場）環境對產品的抗電磁干擾要求
輸入/輸出/電源/通訊/雙路間絕緣強度：≥1500AAC
儲運環境溫度：-40～+80℃
相對濕度：10-90%RH（40℃時）
供電電源：交流： AC 95～265V
直流：DC12V～32V（反接保護）
輸入功率：0.9～1.8W（與型號有關，詳見本手冊附錄中關于輸入功率的計算方法）
通訊接口：RS232 或 RS485，MODBUS軟件協議（選配）。
外形尺寸：寬×高×深：22.5×100×115mm
產品選購
隔離器
在隔離器選型時除了要確定隔離器的功能、適應前后端接口外，還有精度、輸出紋波、溫度漂移、功耗、響應時間等許多參數需要用戶謹慎選擇。
精度
隔離器的精度是非常重要的參數，精度的高低直接關系到隔離器能否正常使用。隔離器的精度體現了隔離器的設計、制造水平。用戶在選用時應該選用精度高的產品。
輸出紋波
對隔離器精度產生影響的參數還有輸出紋波。輸出紋波的產生是由于隔離器使用DC/DC電路對隔離器的工作電源進行隔離給隔離器內部電路供電，輸入號也要先使用DC/DC電路調制成交流號然后經過隔離部分電路進行號隔離，隔離后的號經解調后再轉換成直流號輸出。以CPU為核心的隔離器也存在脈沖號。隔離器內部存在的這種高頻的交流分量，就是產生輸出紋波的原因。這些高頻的交流分量它們的頻率一般都有幾百KHZ、諧波較多，對號的污染很難完全。如果輸出紋波較高，控制系統模擬量輸入模板采集到號的誤差就大，對于高速輸入的模擬量輸入模板更是如此。所以選擇隔離器時應要求輸出紋波的峰-峰值越小越好。順連電子的各種系列隔離器均采用的濾波電路，較好的抑制了輸出紋波。用戶在選用時應該選用紋波小的產品。
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