热电阻模拟量模块

3.3.3　热电偶、热电阻模拟量模块

热电偶作为感温元件，一般用于测量500℃以上的高温，长期使用时其测温上限可达1300℃，短期使用时可达1600℃，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为2000～3000℃。热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量。常用的普通型热电偶本体是一端焊接的两根金属丝（热电极）。考虑到两根热电极之间的电气绝缘和防止有害介质侵蚀热电极，在工业上使用的热电偶一般都有绝缘管和保护套管。在个别情况下，如果被测介质对热电偶不会发生侵蚀作用，也可不用保护套管，以减小接触测温误差与滞后，其结构如图3-15所示。

1—热电偶热端；2—热电极；3—绝缘管；4—保护套管；5—接线盒

图3-15　热电偶的结构

热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施，使热电偶的热电势只反映热端温度（被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影响。热电偶输出的热电势与热端温度（t）相对0℃的热电势、冷端温度（t ₀）相对0℃的热电势间的关系式如式3-5。

则：

E(t,0)=E(t,t ₀)+E(t ₀,0)

冷端温度（t ₀）相对0℃的热电势0(,0)Et由PLC冷端补偿电路产生，EM231 4路热电偶输入模块4路热电偶输入共用一个冷端补偿电路所产生的热电势。因此，采用四对补偿导线（与对应热电偶在0∼50℃具有相同的热电特性）分别将四只安装在现场的热电偶与EM231输入模块连接起来。

工业上广泛应用电阻温度计来测量−200℃～+500℃之间的温度。电阻温度计的特点是准确度高；在中低温下（500℃以下）测温，它的输出信号比热电偶的要大得多，故灵敏度高。根据材料不同，测温热电阻可分为金属和半导体热电阻两种。实验证明，大多数金属导体当温度升高1℃时，其阻值要增加0.4%～0.6%，半导体的阻值要减小3%～6%。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度变化而变化，因此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。电阻温度系数的定义是：单位温度变化所引起的电阻值的相对变化量，用α来表示，单位是℃⁻¹，根据定义，α用下式（3-6）表示：

一般材料的温度系数α并非常数，在不同的温度下具有不同的数值。电阻温度系数越大，热电阻的灵敏度越高，测量温度时就越容易得到准确的结果。

在工业上，广泛使用铂电阻来测量温度，它具有稳定性好、准确度高、性能可靠等特点。在使用中应注意，在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，铂丝将变脆，并改变了电阻与温度间的关系。铂的纯度常以R₁₀₀/R₀来表示。对于工业用铂电阻，规定其R₁₀₀/R₀为1.385，其中：R₁₀₀表示该铂电阻在温度为100℃时的电阻值，R₀表示该铂电阻在温度为0℃时的电阻值，则1℃温度变化所引起的阻值相对变化为0.00385。在我国广泛使用该种铂热电阻。在国际上，除了该类铂热电阻外还有1℃温度变化所引起的阻值相对变化为0.00392、0.00385055、0.003916等类铂热电阻。常用铂电阻的分度号为PT100，表示其R₀为100Ω。

铂电阻的温度特性可表示为：

在−200℃～0℃之间：

在0℃～850℃之间：

以上两式中R^t为t℃时的电阻值；R⁰为0℃时的电阻值；A、B、C为常数，对于工业用铂电阻，A=3.90802×10⁻³℃⁻¹，B=−5.802×10⁻⁷℃⁻²，C= −4.27350×10⁻¹²℃⁻⁴。

此外，在工业温度测量中还用到铜电阻，其电阻值与温度的关系几乎是线性的，它的电阻温度系数也比较大，而且材料容易提纯，价格比较便宜，所以在一些测量准确度要求不是很高、而且温度较低的场合，可使用铜电阻，它的测量范围是−50～+150℃。铜电阻的缺点是：在250℃以上容易氧化，因此只能用在低温及没有腐蚀性的介质中；铜的电阻率ρ 比较小，做成一定阻值的热电阻时体积就不可能很小。我国规定工业用铜电阻的R₁₀₀/R₀=1.428。铜电阻的分度号用Cu50和Cul00，表示其R₀分别为50Ω及100Ω。

S7-200提供了EM231热电偶模块和EM231热电阻输入模块，可用于S7-200 CPU222 CPU224 和CPU226/226XM实现温度测量。热电偶、热电阻输入模块技术数据如表3-10所示。

表3-10　热电偶、热电阻输入模块技术数据表

1．EM231热电偶模块

EM231热电偶模块是为S7-200 CPU222 CPU224 和CPU226/226XM设计的，具有特殊的冷端补偿电路，如果EM231热电偶模块安装区域的环境温度变化快，则会产生补偿误差。要想实现高精度和重复性，西门子建议S7-200热电偶模块应安装在稳定的环境温度中使用。模块在输入处理电路中采用的隔离措施是模块内部逻辑地、现场电气地、+24V电源地之间均相互隔离。

EM231热电偶模块提供七种热电偶分度号输入：J、K、N、E、S、T和R，同时还支持±80mV直流毫伏电压输入。用户可通过DIP开关来选择热电偶的类型、断线检查、测量单位冷端补偿和开路故障报警方向。对于同一模块所有连接到该模块上的热电偶必须采用相同的分度号。DIP开关（Configuration）设定与热电偶类型选择如表3-12所示。EM231热电偶模块功能DIP开关设定定义如表3-11所示。SW4为保留DIP设定位，为以后的应用保留，使用时将SW4设定为断开（向下）。要使DIP开关设置起作用，需要在设置后给PLC或用户的24V电源重新上电。

表3-11　热电偶输入模块功能DIP开关设定表

表3-12　热电偶类型选择及相应的DIP 开关设定

EM231热电偶模块将热电偶输入热电势经冷端温度补偿后，经A/D转换后所对应的数字量采用补码形式表示。若温度值为负时，符号位为“1”；若温度值为正时，符号位为“0”，各种分度号所对应的数字化表示如表3-13所示，根据热电偶输入模块功能DIP开关SW8设定情况，转换结果分摄氏度、华氏度两种，由表中十进制转换结果可以看出，热电偶模块的数字量采用以0.1℃为单位的工程表示数字量格式。±80mV量程输入转换结果不受SW8设定的影响。

表3-13　热电偶数字化表示

EM231热电偶模块与现场热电偶间的接线示意图如图3-16（a）所示。图中Configuration为DIP设定开关。模块为每路热电偶提供了两个接线端子，若从现场来的热电偶通过屏蔽补偿导线与模块连接，其屏蔽层接地可参见图3-16中C、D回路热电偶接线。若在EM231热电偶模块侧屏蔽层接地，在现场热电偶侧屏蔽层则不能接地。图3-16（b）为EM231热电偶模块外型结构图。

图3-16　EM231热电偶模块与现场热电偶间的接线示意及模块外型图

2．EM231热电阻模块

EM231热电阻模块是为S7-200 CPU222 CPU224 和CPU226/226XM设计的，模块在输入处理电路中采用的隔离措施，是在模块内部逻辑地、现场电气地、+24V电源地之间均相互隔离。每个EM231热电阻模块提供两路热电阻输入通道。

EM231热电偶模块提供铂电阻、铜电阻、镍电阻三种、多个纯度热电阻输入，同时还支持0～150Ω、0～300Ω、0～600Ω电阻输入。用户可通过DIP开关来选择热电阻的类型及纯度、断线检查、温度工程单位和接线方式。对于同一模块所有连接到该模块上的热电阻或电阻必须采用相同的分度号、纯度及量程范围。DIP开关（Configuration）的设定与热电阻类型选择如表3-15所示。EM231热电阻模块功能DIP开关设定定义如表3-14所示。位于现场的热电阻与EM231热电阻模块间的接线可采用两线、三线或四线方式接线。要使DIP开关设置起作用，需要在设置后给PLC或用户的24V电源重新上电。

表3-14　EM231热电阻模块功能DIP开关设定表

在表3-15中，RTD类型及字母列中电阻阻值表示该热电阻0℃时的电阻值R ₀；中间的字母Pt表示铂电阻，Cu表示铜电阻，Ni表示镍电阻；右边字母表示1℃温度变化所引起的阻值相对于R ₀的变化值可用来表示该热电阻的纯度，其中A表示0.003850、B表示0.003920、C表示0.00385055、D表示0.003916、E表示0.003902、F表示0.00672、G表示0.006178、H表示0.004270，如“100ΩPt A”表示纯度为0.003850且在0℃时电阻值为100Ω的铂电阻，对应的SW1～SW5DIP开关设置为“00000”。0～150ΩFS电阻、0～300Ω FS电阻、0～600Ω FS电阻为三个电阻输入信号量程。EM231热电阻模块支持23个类型的铂电阻、6个类型的镍电阻，1个类型的铜电阻。

表3-15　热电阻类型选择及相应的DIP 开关设定

EM231热电阻模块内部功能提供恒定取样电流，先将输入电阻信号转换成电压信号经滤波、放大后，通过A/D转换得到对应的数字量。该数字量采用补码形式表示，即1位符号位和15位数值位表示。若温度值为负时，符号位为“1”；若温度值为正时，符号位为“0”，铂电阻、铜电阻、镍电阻及电阻输入信号所对应的数字量如表3-16所示，23个类型的铂电阻采用相同的数字量表示，6个类型的镍电阻也采用相同的数字量表示。根据热电阻输入模块功能DIP开关SW7设定情况，转换结果分摄氏度和华氏度两种，由表中十进制转换结果可以看出，当输入信号为热电阻时热电阻模块的数字量采用以0.1℃为单位的工程表示数字量格式。0～150Ω、0～300Ω、0～600Ω电阻输入转换结果不受SW7设定的影响。

表3-16　热电阻数字化表示

EM231热电阻模块与现场热电阻间的接线示意图如图3-17所示。图中Configuration为DIP设定开关。模块为每路热电偶提供了四个接线端子，若从现场来的热电阻通过屏蔽电缆与模块连接，其屏蔽层接地可参见图3-17。若在EM231热电阻模块侧屏蔽层接地，在现场热电阻侧屏蔽层则不能接地。如果有的热电阻输入通道没有使用，用户应将一个电阻器与该没有使用的通道输入相连，以防止由于浮地输入信号产生的误差影响有效通道的错误显示。

图3-17　EM231热电阻模块与现场热电阻间的接线示意图

图3-18　热电阻传感器接线方式图

为了对热电阻输出的电阻信号进行检测，EM231热电阻模块提供恒定电流I _t 从a+流出通过热电阻后由a−回到模块，从而在热电阻上产生与热电阻阻值成比例的电压信号，EM231热电阻模块通过A+、A−电压输入端子（输入阻抗很高）完成对该电压信号的检测。用户可按三种方式实现热电阻模块与热电阻传感器间的连接，如图3-18所示。图3-18（a）为四线制接线方式，该方式电流I _t 回路与电压测量回路分开，可见在A+、A−端的检测电压只与热电阻的阻值相关，而与a+、a−端子到热电阻之间的电缆导线线路电阻无关，因此检测结果与导线线路电阻无关；图3-18（b）为三线制接线方式，由于A+、a+共用一根导线，A+、A−端的检测电压与热电阻阻值及A+、a+的共用导线的等效电阻r ₀相关，因此检测结果与导线线路电阻r ₀的大小相关；图3-18（c）为两线制接线方式，由于A+、a+共用一根导线，A−、a−共用一根导线，A+、A−端的检测电压与热电阻阻值及A+、a+及A−、a−的共用导线的等效电阻2r ₀相关，因此检测结果与导线线路电阻2r ₀的大小相关。可见，图3-18（a）所示接线方式的检测精度最高，图3-18（c）所示接线方式由于受线路电阻影响最大，检测精度最低。建议只有热电阻与模块之间距离很近时才用两线制接法，应尽量采用四线制接线方式。