一種兩線制通用溫度變送器的研制

劉 溢，孫富韜，吳佳靈，孟祥軍

（北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076）

1 引 言

在航天系統(tǒng)中，由于高可靠性的需要，傳感器信號處理電路以原理簡單、可靠的模擬信號為主，但不能完成非線性溫度信號線性化補(bǔ)償，無法對熱電偶進(jìn)行精密冷端補(bǔ)償，無法根據(jù)現(xiàn)場條件靈活進(jìn)行量程遷移等參數(shù)設(shè)置，導(dǎo)致其測溫精度不夠。同時，無法實(shí)現(xiàn)各種溫度信號通用處理，導(dǎo)致模塊專一化、多樣化，給生產(chǎn)、維護(hù)和現(xiàn)場管理帶來不便，不具備靈活的人機(jī)接口，對現(xiàn)場工況的適應(yīng)性不足。

基于此，研制了一種兩線制高精度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、電壓等輸入信號，實(shí)現(xiàn)溫度信號的高精度測量。同時，通過變壓器實(shí)現(xiàn)電源、輸入、輸出三端隔離，解決了現(xiàn)場信號串?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)、激勵模塊、冷端補(bǔ)償模塊、片選邏輯模塊、信號處理模塊、A／D模塊、MCU處理中心、D／A模塊、信號隔離模塊和V／I轉(zhuǎn)換模塊，如圖1所示。其中，電源系統(tǒng)采用24 V直流供電，經(jīng)由變壓器提供5 V、3.3 V隔離電源，為輸入、輸出兩側(cè)各模塊供電。激勵模塊為傳感器提供恒流激勵，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)償模塊的輸出信號連接至片選邏輯，由MCU處理中心控制，按設(shè)定時序選擇相應(yīng)通道信號，經(jīng)信號處理模塊調(diào)理成A／D采樣所需標(biāo)準(zhǔn)信號后，由A／D模塊采樣并傳輸至MCU。MCU根據(jù)不同傳感器類型，選擇對應(yīng)的算法，計(jì)算溫度。D／A模塊根據(jù)MCU指令輸出對應(yīng)控制電壓至信號隔離模塊，信號隔離模塊通過變壓器實(shí)現(xiàn)輸入、輸出信號電氣隔離，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4 mA～20 mA信號輸出。

圖1 總體方案框圖Fig.1 Block diagram of overall scheme

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。簡單歸為電阻和電壓兩類信號，以熱電阻和熱電偶為例介紹。

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)溫度測量。其激勵及輸入電路如圖2所示，以鉑電阻溫度計(jì)Pt100（以下簡稱Pt100）為例。

圖2 Pt100激勵及輸入電路Fig.2 Pt100 excitation and input circuit

Pt100采用恒流激勵，三線制輸入，分別連接至變送器輸入端口G、G、G。激勵電流I通過片選控制分時激勵100Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻和Pt100。電壓信號V、V、V、V通過片選2按既定時序送入后端信號處理電路進(jìn)行處理采樣，其輸入電阻理想狀態(tài)為無窮大，故此四條支路上無電流。假設(shè)傳感器輸入引線電阻R＝R＝R＝r，有

式中：V、V——分別代表標(biāo)準(zhǔn)電阻R左、右端電壓；V——G端口輸入信號經(jīng)過RC濾波后電壓；V——G端口輸入信號經(jīng)過RC濾波后電壓；R——100Ω 標(biāo)準(zhǔn)電阻值；R——Pt100電阻值；V——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)了精確測量；

②公式（3）中傳感器電阻值R與激勵電流I無關(guān)，激勵電流的精度不影響測量結(jié)果；

③標(biāo)準(zhǔn)電阻R的精度和溫漂直接影響測量精度，故此，采用高精度低溫漂晶圓電阻。

針對兩線制輸入熱電阻，只需把G、G端口短接即可。

利用熱電偶兩端電動勢差隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系，通過測量熱電偶輸出電動勢，即可實(shí)現(xiàn)溫度測量。其輸入電路如圖3所示，適用于所有類型熱電偶。

圖3 熱電偶輸入電路Fig.3 Thermocouple input circuit

根據(jù)圖3可得

式中：E——熱電偶輸出電動勢；ΔU——二極管D兩端電壓。

由于熱電偶輸出信號可能為負(fù)，即E＜0，故此處通過一個二極管將AGND電位拉高至ΔU，以AGND為信號參考地，則GND構(gòu)成等效“負(fù)電源”，從而無需單獨(dú)對運(yùn)放提供負(fù)電源。

采用集成溫度傳感器TMP235測量熱電偶冷端溫度，對其進(jìn)行冷端補(bǔ)償。

如圖2、圖3所示，在變送器G輸入端口連接一個10 MΩ下拉電阻R到GND。傳感器正常工作時，由于10 MΩ電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器內(nèi)阻，故對析出無影響。當(dāng)傳感器引線發(fā)生斷線時，則其輸出會發(fā)生跳變，通過下拉電阻，使得V和V處于確定的高電平或者低電平狀態(tài)，從而通過監(jiān)測V和V的極限狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)斷線報警。

3.2 信號調(diào)理及采樣模塊

信號調(diào)理及采樣模塊如圖4所示。前端傳感器信號V～V及溫度冷端補(bǔ)償信號V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，按程序既定時序選通，經(jīng)減法運(yùn)算放大器，同V做差后，由A／D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。

圖4 信號調(diào)理及A／D模塊Fig.4 Signal conditioning and A／D module

此處，選取24位差分輸入A／D轉(zhuǎn)換芯片，其負(fù)輸入端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：ΔU——AD采樣芯片正、負(fù)輸入端之間的電壓；V——片選2選擇的輸入電壓信號；R——比例電阻；R——比例電阻。

對于熱電偶，只需選通V，則有：

通過公式（8）可以看出，本電路只需對V選通和采樣一次，即可通過硬件實(shí)現(xiàn)V－V差分運(yùn)算，求得熱電偶輸出電動勢，提高了精度和效率。此處，R和R的精度直接影響計(jì)算結(jié)果，采用高精度低溫漂晶圓電阻。

3.3 MCU處理單元

MCU處理單元是整個電路系統(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各種報警輸出；

④人機(jī)交互控制中心。配合上位機(jī)完成高精度校準(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)算的準(zhǔn)確性。

對于熱電偶信號，由于其輸出熱電勢小，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，首先根據(jù)國際電工委員會（IEC）規(guī)定的電動勢—溫度函數(shù)，由測得的冷端補(bǔ)償溫度t計(jì)算出對應(yīng)的冷端熱電動勢E，則熱電偶輸出總電動勢E t為

然后，再根據(jù)IEC規(guī)定的電動勢—溫度反函數(shù)，計(jì)算出相應(yīng)的溫度t即可。

3.4 電源及信號隔離模塊

實(shí)際設(shè)備溫度監(jiān)測過程中，往往需要多支傳感器配合使用。在現(xiàn)場復(fù)雜工況條件下，可能會導(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，通過被測設(shè)備金屬外殼導(dǎo)通，則其輸出電流I、I、I相互間串?dāng)_，從而造成輸出跳動，使傳感器失效。因此，需要在變送器端實(shí)現(xiàn)有效隔離，即傳感器輸入、輸出和電源三端隔離，切斷串?dāng)_回路。

圖5 電流串?dāng)_及解決方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of current crosstalk and solution

電源及信號隔離電路如圖6所示。上半部分信號隔離電路中，L為信號隔離變壓器，包括驅(qū)動、輸出和反饋三個繞組，且完全按照1∶1∶1，采用三線并繞方式繞制，使得三個繞組性能理論上完全一致。V為根據(jù)實(shí)測溫度確定的D／A輸出電壓，V為運(yùn)放提供的驅(qū)動電壓，V為經(jīng)運(yùn)放跟隨后的輸出電壓，V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

圖6 電源及信號隔離模塊Fig.6 Power supply and signal isolation module

依據(jù)公式（10），輸出電壓V在反饋電壓V作用下，很快跟隨了輸入電壓V。

對于隔離電源部分，L為主電源變壓器，L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L的原邊提供驅(qū)動信號，是電源變換的基礎(chǔ)。L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，經(jīng)過電壓基準(zhǔn)芯片REF3133產(chǎn)生3.3 V電壓基準(zhǔn)，給A／D、D／A及MCU供電。

3.5 V／I轉(zhuǎn)換模塊

V／I轉(zhuǎn)換模塊如圖7所示。其中V為信號隔離變壓器輸出電壓，與電阻R構(gòu)成了基準(zhǔn)電流環(huán)節(jié)；Q為擴(kuò)流三極管；電阻R、R構(gòu)成電流放大環(huán)節(jié)。I為4 mA～20 mA回路輸出電流，可以導(dǎo)出

圖7 V／I轉(zhuǎn)換模塊Fig.7 V／I conversion module

由公式（11）可得，電阻R、R、R的精度和溫漂直接影響電流輸出精度，此處采用高精度、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、電壓輸入信號?？煽焖俨灏?，互為備份，具備高低限、斷線報警功能，可以及時發(fā)現(xiàn)故障。

圖8 變送器模塊Fig.8 Transmitter module

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進(jìn)行試驗(yàn)，其量程分別為（0～500）℃、（0～1 000）℃、（0～1 800）℃，測試數(shù)據(jù)如表1～表3所示?？梢钥闯觯兯推餍盘栟D(zhuǎn)換準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1%，滿足工業(yè)現(xiàn)場使用要求。

表1 Pt100試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Pt100 test data

表2 K型熱電偶試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 K-thermocouple test data

表3 鎢錸5—鎢錸26試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 WRe5-26 test data

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)輸入端（或正端）相互短接在一起，通電測試，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

針對目前溫度變送器功能單一，冷端補(bǔ)償不夠精準(zhǔn)、非線性化、不能在線標(biāo)定等問題，本文基于單片機(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，針對使用現(xiàn)場由于絕緣問題而帶來的信號串?dāng)_，設(shè)計(jì)了隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)電源、輸入、輸出三端隔離。試驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的溫度變送器信號轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度優(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。