壓力開關(guān)兩線制與智能一體化儀表的研究與應(yīng)用

上海自動化儀表四廠提出了開關(guān)量兩線制的概念、原理、規(guī)范，說明了機械式開關(guān)兩線制與電子開關(guān)兩線制的區(qū)別，從模擬量兩線制基理出發(fā)，在理論上創(chuàng)立了開關(guān)量兩線制，并為實現(xiàn)開關(guān)電子化和儀表的全范圍兩線制和通用化提供了基礎(chǔ)。本技術(shù)填補了開關(guān)量兩線制的技術(shù)空白，驗證了不漂移、不故障，可監(jiān)控等全球受歡迎的技術(shù)品質(zhì)。本文主要描述了電子壓力開關(guān)兩線如何供電，如何工作，兩線制如何實現(xiàn)比機械式壓力開關(guān)更強，應(yīng)用的業(yè)績?nèi)绾蔚纫幌盗醒芯颗c應(yīng)用的問題。

0 引言

熱工儀表按信號性質(zhì)分為模擬量和開關(guān)量兩大類，相互依賴。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電動儀表 [1] 很快被兩線制變送器替代，兩線制變送器性能優(yōu)越，穩(wěn)定可靠。但機械式壓力開關(guān)仍停留在軟膜彈簧微動開關(guān)的結(jié)構(gòu)上，卡澀、漂移 [2] 現(xiàn)象時有發(fā)生，并且不能被監(jiān)控，如圖 1 所示。為了克服以上存在的問題，經(jīng)過反復(fù)的試驗和研究，從理論上探明了開關(guān)量兩線制的基本原理，建立了兩線制供電與信號的分界規(guī)范和標準。在技術(shù)上實現(xiàn)了 120uA 電子壓力開關(guān)，突破了微功耗的開關(guān)量兩線制的瓶頸。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了 160uA 智能壓力開關(guān)和隔離型變送器的一體化儀表，并在上百個電廠獲得了成功應(yīng)用，真正實現(xiàn)了壓力開關(guān)的兩線制電子化和智能化的技術(shù)進步。

本文從兩線制的原理出發(fā)，全面敘述了開關(guān)量兩線制的基理，微功耗核心技術(shù)，微功耗優(yōu)勢，電子開關(guān)與機械式開關(guān)的比較，兩線制智能壓力開關(guān)、開關(guān)變送器一體化、一表多用的通用性能。經(jīng)現(xiàn)場多年應(yīng)用，效果明顯。

1 儀表的兩線制

1.1 兩線制

兩線制是儀表信號與電源共用兩根線，常見的如變送器，4mA 以下是給儀表供電，4mA ～ 20mA 是模擬信號。也簡稱為LOOP POWER（信號回路供電）。

由于種種原因，開關(guān)量沒有類似的規(guī)范，開關(guān)量一直由軟膜驅(qū)動微動開關(guān)的機械式開關(guān)來實現(xiàn)，其性能一直得不到提高，特別是卡澀、漂移，不可監(jiān)控的致命性弱點一直得不到改進，致使自動化水平特別是保護系統(tǒng)的可靠性得不到提高和改進。

1.2 DCS/PLC開關(guān)量輸入

DCS/PLC DI 如圖 1 所示，由電源 - 限流電阻 - 光電隔離器 - 開關(guān) - 地完成回路，開關(guān)信號線與 DCS/PLC 輸入端DI 相連，DCS/PLC 輸入端 DI 的電壓叫查詢電壓。開關(guān)動作后引起光隔的二極管發(fā)光，三極管狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生邏輯“1”。開關(guān)不動作時，輸入端查詢電壓為 24V 或 48V，電流接近零，光隔二極管不導通，三極管狀態(tài)不翻轉(zhuǎn)，輸出為邏輯“0”。

1.3 開關(guān)量兩線制

眾所周知，二極管 PN 結(jié)的導通電流為 300uA，如果電流小于 200uA 時，二極管不會導通。據(jù)此，如果電子壓力開關(guān)工作電流小于 200uA 時，DI 輸入的光隔的二極管不會導通，也就不會發(fā)光，三極管不會翻轉(zhuǎn)。當壓力超過定值時，壓力開關(guān)動作后，光隔二極管導通發(fā)光，三極管翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生邏輯“1”。如果利用 200uA 的電流保證儀表的正常工作，檢測壓力值并進行邏輯運算，控制開關(guān)導通與截止、控制 DI 的光隔的導通與截止，從而實現(xiàn)信號和供電共用兩根線的開關(guān)量兩線制。基于這個原理，利用 200uA 為儀表供電，可以實現(xiàn)供電和信號共用的兩線制規(guī)范。

1.4 開關(guān)量兩線制的瓶頸

按照傳統(tǒng)儀表，傳感器供電電流為 1mA ～ 2mA，儀表與單片機都會放大供電幾毫安不等。因此，開關(guān)量兩線制的根本難題在于使其工作電流小于 200uA，幾乎是不可能的事情，所以沒有人去想，更沒有人去做。國內(nèi)外沒有任何研究可供借鑒，沒有教科書，沒有標準，從技術(shù)上說是個空白，是長期以來開關(guān)量不能電子化的瓶頸。

2 兩線制電子壓力開關(guān)

2.1 兩線制電子壓力開關(guān)的研制

實現(xiàn)壓力開關(guān)兩線制的關(guān)鍵是要保證整個儀表的功耗低于 200uA，據(jù)此把總的功耗分配到各個模塊，其中傳感器模塊電流50uA，信號調(diào)理 50uA，定值、電源、IGBT 合計 20uA。

然后，根據(jù)功能要求和功耗對器件進行篩選和定制，再把所選的器件組成的模塊進行仿真試驗，在仿真成功的基礎(chǔ)上集成到整機板上進行試驗，經(jīng)過幾百次的反復(fù)試驗，2007 年終于完成了第 1 臺 120uA 微功耗電子壓力開關(guān)的研制。該產(chǎn)品的研制成功主要是發(fā)現(xiàn)了 200uA 開關(guān)量工作電流不引起 DCS/PLC 誤動的標準，并用這個標準把產(chǎn)品研制成功，驗證了這一標準的可行性，從而把開關(guān)量的兩線制從理論分析落實到產(chǎn)品，變成了現(xiàn)實。

2.2 兩線制的特點

兩線制電子壓力開關(guān)應(yīng)用后優(yōu)勢顯現(xiàn)。主要如下 ：1）可靠性高，不故障 ：兩線制電子壓力開關(guān)投入現(xiàn)場后，從 2012 年開始有幾千只業(yè)績，至今沒有發(fā)現(xiàn)自身原因?qū)е碌墓收希`動率和拒動率為零 [13,14]。究其原因，一方面不銹鋼擴散硅充油體工藝和質(zhì)量可靠 ；另一方面儀表電路功耗低，故障率極低 。

2）沒有自熱，不漂移 ：由于微功耗擴散硅充油體傳感器工作電流只有 50uA，傳感器沒有自熱，自熱引起的漂移基本為零，加上微功耗儀表放大器只有 50uA，其它元器件20uA 沒有自熱引起的阻值變化、工作點漂移，儀表性能極其穩(wěn)定。如用戶通遼勝發(fā)電廠應(yīng)用爐膛壓力 [6,17]，一年后校驗發(fā)現(xiàn)設(shè)定值不變，兩年后再次校驗，確認開關(guān)沒有漂移。

3）抗振抗擾，耐高溫

①抗振 ：兩線制電子壓力開關(guān)從不銹鋼傳感器到電路板沒有可活動部件，相互制約，抗振性能好 [9,12]。

② 抗 擾 ：抗 干 擾 是 保 證 產(chǎn) 品 可 靠 的 基 本 要 求， 對微功耗產(chǎn)品尤為重要。不但在結(jié)構(gòu)上采用分倉設(shè)計，在電路上采用大功率共模，保證 EMC 符合國際標準 [10,11]，1MHz ～ 80MHz 的干擾電壓達到了 20V 沒有影響，比軍標10V 高1 倍，因此應(yīng)用中未見產(chǎn)品受干擾發(fā)生誤動。

③耐溫 ：根據(jù)核電 40 年壽命測試標準，成功地進行了一組 20 只開關(guān)的 138℃ 10 天加速試驗，無一故障，誤差不超標。

4）精度高，速度快

①精度 ：0.5，為 -10℃～ 80℃全程保證值 [8]。

②速度 ：1ms 比機械式開關(guān)速度快 40ms[5]。

5）無條件替代機械式開關(guān)

兩線制電子或智能壓力開關(guān)是電子技術(shù)、傳感器、計算機技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，具備無條件替代機械式開關(guān)的能力和優(yōu)勢，是變送器不可替代的同樣重要的儀表，一體化儀表的誕生為減少儀表種類，減少備品數(shù)量提供了有利的條件。

展望未來，在兩線制壓力（含差壓、溫度）開關(guān)變送器一體化的基礎(chǔ)上，推廣到液位、料位、流量等儀表，上海自動化儀表四廠全面實現(xiàn)兩線制必將為儀表發(fā)展帶來新的一代微功耗智能化產(chǎn)品，從而大大提高儀表的可靠性和穩(wěn)定性，真正邁向微功耗智能化的新時代。