一種兩線制通用溫度變送器的研制

摘要:設(shè)計(jì)了一種兩線制通用溫度變送器,能夠處理熱電阻、所有類型熱電偶以及電阻、電壓輸入信號(hào)。實(shí)現(xiàn)了溫度信號(hào)的線性化處理、冷端補(bǔ)償、以及在線標(biāo)定,信號(hào)轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于0.1%。通過變壓器實(shí)現(xiàn)電源輸入、輸出三端隔離,解決了因傳感器絕緣下降導(dǎo)致的電流串?dāng)_問題,同時(shí)提高了抗干擾能力。變送器實(shí)現(xiàn)了模塊化、通用化設(shè)計(jì),具備遠(yuǎn)程數(shù)字通訊能力。
1引言
　　在航天系統(tǒng)中,由于高可靠性的需要,傳感器信號(hào)處理電路以，原理簡(jiǎn)單、可靠的模擬信號(hào)為主,但不能完成非線性溫度信號(hào)線性化補(bǔ)償,無法對(duì)熱電偶進(jìn).行正確冷端補(bǔ)償，無法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件靈活進(jìn)行量程遷移等參數(shù)設(shè)置,導(dǎo)致其測(cè)溫精度不夠![1-3]同時(shí),無法實(shí)現(xiàn)各種溫度信號(hào)通用處理(4]，導(dǎo)致模塊專一化、多樣化,給生產(chǎn)、維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)管理帶來不便，不具備靈活的人機(jī)接口,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的適應(yīng)性不足。
　　基于此，研制了一種兩線制精度高通用隔離型.溫度變送器，可通過人機(jī)接口靈活設(shè)置處理熱電阻、熱電偶、電阻、電壓等輸人信號(hào),實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的精度高測(cè)量。同時(shí),通過變壓器實(shí)現(xiàn)電源、輸人、輸出三端隔離,解決了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)串?dāng)_的問題,提高了變送器抗干擾能力。
2總體設(shè)計(jì)方案.
　　總體設(shè)計(jì)方案主要包括電源系統(tǒng)、激勵(lì)模塊、冷端補(bǔ)償模塊、片選邏輯模塊、信號(hào)處理模塊、A/D模塊、MCU處理中心、D/A模塊、信號(hào)隔離模塊和V/I轉(zhuǎn)換模塊,如圖1所示。其中,電源系統(tǒng)采用24V直流供電,經(jīng)由變壓器提供5V、3.3V隔離電源，為輸人輸出兩側(cè)各模塊供電。激勵(lì)模塊為傳感器提供恒流激勵(lì)，冷端補(bǔ)償模塊為熱電偶傳感器提供冷端補(bǔ)償。傳感器和冷端補(bǔ)償模塊的輸出.信號(hào)連接至片選邏輯,由MCU處理中心控制,按設(shè)定時(shí)序選擇相應(yīng)通道信號(hào),經(jīng)信號(hào)處理模塊調(diào)理成A/D采樣所需標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后,由A/D模塊采樣并傳輸至MCU。MCU根據(jù)不同傳感器類型，選擇對(duì)應(yīng)的算法,計(jì)算溫度。D/A模塊根據(jù)MCU指令輸出對(duì)應(yīng)控制電壓至信號(hào)隔離模塊,信號(hào)隔離模塊通過變壓器實(shí)現(xiàn)輸人、輸出信號(hào)電氣隔離,將控制電壓等幅傳輸至V/I轉(zhuǎn)換模塊,V/I轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)控制電壓實(shí)現(xiàn)兩線制4mA~20mA信號(hào)輸出。
 
3電路設(shè)計(jì)及工作原理
3.1傳感器模塊
　　通用型溫度變送器可以處理熱電阻和熱電偶以及電阻、電壓信號(hào)。簡(jiǎn)單歸為電阻和電壓兩類信號(hào),以熱電阻和熱電偶為例介紹。
3.1.1熱電阻傳感器
　　利用熱電阻阻值隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。其激勵(lì)及輸人電路如圖2所示,以鉑電阻溫度計(jì)Pt100(以下簡(jiǎn)稱Pt100)為例。
 
　　Pt100采用恒流激勵(lì),三線制輸人,分別連接至變送器輸人端口G1、G2、G3。激勵(lì)電流I通過片選控制分時(shí)激勵(lì)100Q標(biāo)準(zhǔn)電阻和Pt100。電壓信號(hào)V1、V2、V3、V4通過片選2按既定時(shí)序送人后端信號(hào)處理電路進(jìn)行處理采樣,其輸人電阻理想狀態(tài)為無窮大,故此四條支路上無電流。假設(shè)傳感器輸人引.線電阻RL1=RL2=RL3=r,有
 
　　式中:V1、V2--分別代表標(biāo)準(zhǔn)電阻R0左、右端電壓;V3--G1端口輸人信號(hào)經(jīng)過RC濾波后電壓;V4--G3端口輸入信號(hào)經(jīng)過RC濾波后電壓;R0--100Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻值;Rpt--Pt100電阻值;VAGND---AGND的點(diǎn)電壓。
　　由公式（1）可解出：
 
由公式(2)、(3)可以看出:
①電路完全去除了引線電阻R,的影響,從原理上實(shí)現(xiàn)了正確測(cè)量;
②公式(3)中傳感器電阻值Rp與激勵(lì)電流I無關(guān),激勵(lì)電流的精度不影響測(cè)量結(jié)果;
③標(biāo)準(zhǔn)電阻R0的精度和溫漂直接影響測(cè)量精度,故此,采用精度高低溫漂晶圓電阻。針對(duì)兩線制輸人熱電阻,只需把G2、G,端口短接即可。
3.1.2熱電偶傳感器
　　利用熱電偶兩端電動(dòng)勢(shì)差隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系,通過測(cè)量熱電偶輸出電動(dòng)勢(shì),即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。其輸人電路如圖3所示,適用于所有類型熱電偶。
 
　　式中:E一熱電偶輸出電動(dòng)勢(shì);△U1一二極管D3兩端電壓。
　　由于熱電偶輸出信號(hào)可能為負(fù),即E<0,故此處通過一個(gè)二極管將AGND電位拉高至0U,以AGND為信號(hào)參考地,則GND構(gòu)成等效“負(fù)電源”，從而無需單獨(dú)對(duì)運(yùn)放提供負(fù)電源。
　　采用集成溫度傳感器TMP235測(cè)量熱電偶冷端溫度,對(duì)其進(jìn)行冷端補(bǔ)償。
3.1.3傳感器斷線監(jiān)測(cè)
　　如圖2、圖3所示，在變送器G;輸人端口連接一個(gè)10MQ2下拉電阻R3到GND。傳感器正常工作時(shí),由于10MΩ電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器內(nèi)阻,故對(duì)析出無影響。當(dāng)傳感器引線發(fā)生斷線時(shí),則其輸出會(huì).發(fā)生跳變,通過下拉電阻,使得V3和V4處于確定的高電平或者低電平狀態(tài)，從而通過監(jiān)測(cè)V3和V4的極限狀態(tài),即可實(shí)現(xiàn)斷線報(bào)警。
3.2信號(hào)調(diào)理及采樣模塊
　　信號(hào)調(diào)理及采樣模塊如圖4所示。前端傳感器信號(hào)V1~V4及溫度冷端補(bǔ)償信號(hào)Vt經(jīng)過片選2，由MCU控制,根據(jù)不同類型傳感器運(yùn)算需要,按程序既定時(shí)序選通,經(jīng)減法運(yùn)算放大器,同VAcD做差后,由AVD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣,最后將采樣結(jié)果通過串行通信送MCU處理。
 
　　此處,選取24位差分輸人A/D轉(zhuǎn)換芯片，其負(fù)輸人端AIN_接AGND,可以減少共模干擾。另外配合前端減法運(yùn)算放大器,可以導(dǎo)出其采樣結(jié)果為
 
　　式中:△U2一AD采樣芯片正、負(fù)輸人端之間的電壓;Vi一片選2選擇的輸人電壓信號(hào);Rf一比例電阻;R4一比例電阻。
　　對(duì)于熱電偶,只需選通V4則有:
 
　　通過公式(8)可以看出,本電路只需對(duì)V。選通和采樣一次,即可通過硬件實(shí)現(xiàn)Vi一VAGND差分運(yùn)算，求得熱電偶輸出電動(dòng)勢(shì),提高了精度和效率。此處,Rf和R4的精度直接影響計(jì)算結(jié)果，采用精度高低溫漂晶圓電阻。
3.3MCU處理單元
　　MCU處理單元是整個(gè)電路系統(tǒng)的控制和運(yùn)算單元，選取PIC24系列單片機(jī),主要完成以下功能:
①片選芯片的時(shí)序控制;
②根據(jù)預(yù)定算法完成溫度計(jì)算和線性化輸出;
③各種報(bào)警輸出;
④人機(jī)交互控制中心。配合上位機(jī)完成精度高校準(zhǔn)以及傳感器類型選擇、參數(shù)設(shè)置等數(shù)字化通訊輸出。
　　其中,②為其核心任務(wù),主要涉及傳感器的高階多項(xiàng)式擬合及運(yùn)算，其擬合精度直接影響溫度計(jì)算的正確性。
　　對(duì)于熱電偶信號(hào),由于其輸出熱電勢(shì)小，溫度范圍寬,非線性特征明顯,需要進(jìn)行分區(qū)高階擬合。運(yùn)算時(shí),首先根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)規(guī)定的電動(dòng)勢(shì)一溫度函數(shù),由測(cè)得的冷端補(bǔ)償溫度1o計(jì)算出對(duì)應(yīng)的冷端熱電動(dòng)勢(shì)E,則熱電偶輸出總電動(dòng)勢(shì)Et為
 
　　然后,再根據(jù)IEC規(guī)定的電動(dòng)勢(shì)一溫度反函數(shù),計(jì)算出相應(yīng)的溫度t即可。
3.4電源及信號(hào)隔離模塊
3.4.1電流串?dāng)_分析
　　實(shí)際設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)過程中,往往需要多支傳感器配合使用。在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況條件下，可能會(huì)導(dǎo)致傳感器相互間絕緣下降,從而帶來電流串?dāng)_的問題,使得輸出不準(zhǔn)。如圖5所示,若傳感器絕緣下降,通過被測(cè)設(shè)備金屬外殼導(dǎo)通,則其輸出電流I1、I2、In相互間串?dāng)_，從而造成輸出跳動(dòng),使傳感器失效。因此,需要在變送器端實(shí)現(xiàn)有效隔離，即傳感器輸人、輸出和電源三端隔離,切斷串?dāng)_回路。
 
3.4.2信號(hào)隔離模塊
　　電源及信號(hào)隔離電路如圖6所示。上半部分信號(hào)隔離電路中,L1為信號(hào)隔離變壓器,包括驅(qū)動(dòng)、輸出和反饋三個(gè)繞組，且完全按照1:1:1,采用三線并繞方式繞制,使得三個(gè)繞組性能理論上完全一致。V為根據(jù)實(shí)測(cè)溫度確定的D/A輸出電壓，Vdrive為運(yùn)放提供的驅(qū)動(dòng)電壓,Vout為經(jīng)運(yùn)放跟隨后的輸出電壓,Vback為反饋電壓。由變壓器原、副邊關(guān)系和運(yùn)放虛短、虛斷可以很容易得出
 
　　依據(jù)公式(10),輸出電壓Vout在反饋電壓Vback作用下,很快跟隨了輸人電壓V。
 
3.4.3隔離電源模塊
　　對(duì)于隔離電源部分,L4為主電源變壓器,L3為自激振蕩變壓器,其與兩只NPN三極管及耦合電容等構(gòu)成自激振蕩器,振蕩頻率由LC諧振頻率決定，完成DC-AC轉(zhuǎn)換,為主變壓器L4的原邊提供驅(qū)動(dòng)信號(hào),是電源變換的基礎(chǔ)。L4副邊輸出經(jīng)過二倍壓整流、濾波后產(chǎn)生5V電壓VD,給后端電路供電。同時(shí)，經(jīng)過電壓基準(zhǔn)芯片REF3133產(chǎn)生3.3V電壓基準(zhǔn),給A/D、D/A及MCU供電。
3.5V/I轉(zhuǎn)換模塊
　　V/I轉(zhuǎn)換模塊如圖7所示。其中Vout為信號(hào)隔離變壓器輸出電壓，與電阻R29構(gòu)成了基準(zhǔn)電流環(huán)節(jié);Q6為擴(kuò)流三極管;電阻R33、R34構(gòu)成電流放大環(huán)節(jié)。Iout為4mA~20mA回路輸出電流,可以導(dǎo)出
 
　　由公式(11)可得,電阻R29、R33;、R34的精度和溫漂直接影響電流輸出精度,此處采用精度高、低溫漂晶圓電阻。
 
4試驗(yàn)驗(yàn)證
　　變送器采用通用化、模塊化設(shè)計(jì),如圖8所示。適用于熱電阻、所有類型熱電偶以及普通電阻、電壓輸人信號(hào)。可快速插拔，互為備份,具備高低限、斷線報(bào)警功能,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。
　　為驗(yàn)證整機(jī)功能和精度,通過等效器分別模擬Pt100、K型熱電偶、WRe5-WRe26熱電偶三種常用類型傳感器信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn),其量程分別為(0~500)℃、(0~1000)℃、(0~1800)℃,測(cè)試數(shù)據(jù)如表1~表3所示。可以看出,變送器信號(hào)轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于0.1%,滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用要求。
 
　　為了驗(yàn)證隔離效果,選取五支K型熱電偶傳感器,將其傳感器負(fù)輸人端(或正端)相互短接在一起,通電測(cè)試,短接前后其輸出電流均不發(fā)生變化，隔離效果良好,解決了電流串?dāng)_的問題。
5結(jié)束語
　　針對(duì)目前溫度變送器功能單一,冷端補(bǔ)償不夠正確、非線性化、不能在線標(biāo)定等問題,基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種兩線制通用溫度變送器,從軟、硬件兩方面加以解決。同時(shí)，針對(duì)使用現(xiàn)場(chǎng)由于絕緣問題而帶來的信號(hào)串?dāng)_,設(shè)計(jì)了隔離變壓器,實(shí)現(xiàn)電源、輸人、輸出三端隔離。試驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)的溫度變送器信號(hào)轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于0.1%,通用性好,抗干擾能力強(qiáng),具備良好的工業(yè)應(yīng)用前景。