鄭貴林，王振杰

(武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北武漢 430072)

0 引言

Pt100熱電阻是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫領(lǐng)域的傳感器，通過對(duì)其阻值的測(cè)量得到相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行溫度。不同設(shè)備通常有幾個(gè)至幾十個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。目前普遍采用每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)安裝一個(gè)Pt100熱電阻溫度探頭，并就近安裝一個(gè)帶有數(shù)顯功能的溫控儀表進(jìn)行采集和顯示。當(dāng)需要監(jiān)控的設(shè)備和測(cè)點(diǎn)較多時(shí)，依然采用這種傳統(tǒng)的測(cè)控模式，就會(huì)帶來數(shù)據(jù)監(jiān)控不集中，購買溫控儀表成本高等問題。如果將所有溫控儀表集中安裝或者集中采集溫控儀表的4～20 mA二次輸出[1]，又會(huì)因模擬量的長距離傳輸造成測(cè)量精度降低、布線繁重等問題。

文中介紹了一種基于模擬開關(guān)的多路Pt100溫控變送器，通過切換特殊參數(shù)的模擬開關(guān)，實(shí)現(xiàn)用一套電路采集16個(gè)三線制Pt100熱電阻的測(cè)控方法。變送器將采集到的模擬量計(jì)算后進(jìn)行現(xiàn)地顯示與超限報(bào)警，并轉(zhuǎn)化為隔離的RS485數(shù)字量進(jìn)行傳輸，滿足了遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)男枨螅岣吡讼到y(tǒng)抗反擊過電壓的能力。該變送器于2012年3月應(yīng)用于武漢市湯遜湖泵站(15臺(tái)1 000 kW泵組)和大軍山泵站(10臺(tái)1 000 kW泵組)，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泵軸瓦和發(fā)電機(jī)定子繞組多設(shè)備，多點(diǎn)溫度的現(xiàn)地顯示和遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，并通過驗(yàn)收。

1 變送器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于模擬開關(guān)的多路Pt100溫控變送器由16個(gè)特殊參數(shù)的模擬開關(guān)組成的模擬開關(guān)陣列，傳感器信號(hào)環(huán)流變送器AD693，電流環(huán)信號(hào)接收轉(zhuǎn)換偏置電路，數(shù)字化隔離通信及現(xiàn)地顯示單元4部分組成，將Pt100熱電阻以三線制形式接入變送器中，使得AD693可以對(duì)其導(dǎo)線電阻進(jìn)行測(cè)量補(bǔ)償，從而去除導(dǎo)線電阻帶來的測(cè)量誤差[2]。AD693輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換偏置電路及通信顯示單元，最終變成數(shù)字RS485信號(hào)接入通信總線中。變送器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變送器結(jié)構(gòu)框圖

1．1 模擬開關(guān)陣列

變送器的設(shè)計(jì)思路是用模擬開關(guān)陣列來實(shí)現(xiàn)16路Pt100熱電阻的切換巡檢。每路三線制Pt100熱電阻對(duì)應(yīng)一片模擬開關(guān)，將模擬開關(guān)串入電阻并以通斷電的方式進(jìn)行切換。選用TS3A44159的四通道模擬開關(guān)來組成模擬開關(guān)陣列，一次成型的集成電路保證了4個(gè)通道導(dǎo)通電阻值的強(qiáng)一致性，小于0.45 Ω的導(dǎo)通電阻及小于50 nA的漏電性能[3]，優(yōu)于絕大多數(shù)的同類芯片。用圖2電路分別對(duì)多片TS3A44159通道的導(dǎo)通電阻RON進(jìn)行測(cè)量。

圖2 導(dǎo)通電阻測(cè)量電路

導(dǎo)通電阻RON可由下面關(guān)系式計(jì)算出：

(1)

式中：VCOM與VNC分別為兩處的電壓值；ICOM為該通道中電流值。

由式(1)可得出同一片TS3A44159通道間導(dǎo)通電阻偏差小于0.01 Ω。該阻值引起的溫度測(cè)量偏差小于0.03 ℃，對(duì)變送器測(cè)量精度影響較小，無需進(jìn)行修正。

TS3A44159的前三路通道連接三線制Pt100熱電阻，第四路通道連接LED燈指示采集狀態(tài)。

1．2 傳感器信號(hào)環(huán)流變送器

傳統(tǒng)采集模式，多以搭建恒流源流的方式對(duì)Pt100熱電阻進(jìn)行采集，隨著環(huán)境溫度的變化，難以保證恒流源的精度。若采用密閉恒溫方式來確保恒流源穩(wěn)定，又增加了設(shè)備的制造成本。同時(shí)軟件上還需要解決阻值隨溫度變化的非線性問題。

文中介紹的變送器選用傳感器信號(hào)環(huán)流變送器AD693對(duì)Pt100熱電阻進(jìn)行采集，AD693可用于三線環(huán)路供電，帶有Pt100熱電阻接口并具備預(yù)矯正功能，能夠消除線路電阻帶來的測(cè)量偏差，進(jìn)而將Pt100熱電阻的阻值信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)，解決阻值采集隨溫度變化的非線性問題。AD693無需調(diào)整便可保證測(cè)量誤差范圍在±0．5%之內(nèi)，應(yīng)用簡便僅需外接1支0.01～1 μF容量的防自激補(bǔ)償電容，同時(shí)具有6種測(cè)溫范圍可供選擇[4]。AD693外圍電路如圖3所示，此電路接法為0～211 ℃測(cè)量范圍，適宜絕大多數(shù)工控設(shè)備運(yùn)行溫度的監(jiān)控范圍。

圖3 AD693外圍電路圖

1．3 電流環(huán)信號(hào)接收轉(zhuǎn)換偏置電路

電流環(huán)信號(hào)接收轉(zhuǎn)換偏置電路，用來將AD693輸出的4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓信號(hào)，便于A/D芯片采集。當(dāng)4～20 mA電流輸入對(duì)應(yīng)0～5 V電壓輸出時(shí)，必須對(duì)運(yùn)放的輸出進(jìn)行偏置調(diào)節(jié)。偏置電路如圖4所示，4～20 mA電流信號(hào)由Iin端輸入，經(jīng)過2個(gè)75 Ω的檢測(cè)電阻，并由其中點(diǎn)返回電源負(fù)極。對(duì)稱輸入的形式起到了抑制共模干擾的作用，從了消除了異端電流在差分電壓轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的不均衡。電流信號(hào)經(jīng)差分放大器，轉(zhuǎn)換成一個(gè)與其成正比的電壓信號(hào)。放大器反饋通道經(jīng)由10 V基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生一個(gè)-1．25 V的偏置電壓。根據(jù)運(yùn)放“虛地”特性，基爾霍夫電流定律，以及因阻值巨大差別而忽略的由300 kΩ與100 kΩ組成的電流輸入支路，可得到如下關(guān)系式：

VO=312.5×Iin-1.25

(2)

式中：Iin為4～20 mA電流信號(hào)；VO為經(jīng)過放大偏置后的輸出電壓。

由(2)式可以得出，當(dāng)Iin為4 mA時(shí)，VO為零，當(dāng)Iin為20 mA時(shí)，VO為5 V．

圖4 信號(hào)轉(zhuǎn)換偏置電路

1．4 數(shù)字化隔離通信及數(shù)字顯示單元

數(shù)字化隔離通信及現(xiàn)地顯示單元，使用24位ADC芯片采集0～5 V電壓信號(hào)后經(jīng)SPI端口將電壓份數(shù)傳輸至MUC進(jìn)行計(jì)算[5]。MCU在驅(qū)動(dòng)液晶屏幕就地顯示數(shù)據(jù)的同時(shí)又經(jīng)過其串口與RS485收發(fā)器連接，其中RS485收發(fā)器選用ADM2483，該芯片具備2.5 kV的通信隔離及±2 kV的ESD保護(hù)功能，瞬態(tài)高共模抑制能力達(dá)到25 kV/μs．為變送器帶來較強(qiáng)的抗反擊過電壓能力。在通信線路距離較長的應(yīng)用中，能夠有效防止感應(yīng)雷電對(duì)變送器造成的損毀。

變送器的MCU對(duì)每一通道進(jìn)行多次采集，并用中值濾波和均值濾波相復(fù)合的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[6]。MCU可配置存儲(chǔ)溫度報(bào)警閥值，在所測(cè)溫度達(dá)到報(bào)警值時(shí)閉合一路繼電器來驅(qū)動(dòng)相關(guān)報(bào)警設(shè)備，并在現(xiàn)地液晶屏幕上進(jìn)行該數(shù)據(jù)的閃爍提醒。MCU程序流程如圖5所示，變送器完成16路溫度巡檢的時(shí)間約為32 ms．

圖5 MUC程序流程圖

2 變送器溫度測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)

在0～211 ℃測(cè)量范圍內(nèi)，通過若干種1/1 000精度的電阻串聯(lián)成Pt100熱電阻溫度表中精確到0.1 Ω的9個(gè)阻值，并接入變送器中。將變送器的溫度輸出值與Pt100熱電阻同一阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值進(jìn)行比對(duì)，從而得到變送器的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，通過9組精密電阻的測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)，測(cè)得該變送器的溫度測(cè)量絕對(duì)誤差小于0.3 ℃，此項(xiàng)指標(biāo)滿足于絕大多數(shù)工業(yè)測(cè)溫領(lǐng)域的需求。

表1 變送器溫度測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 工程應(yīng)用案例

該多路Pt100溫控變送器于2012年3月，應(yīng)用于湖北省武漢市湯遜湖泵站和大軍山泵站信息化改造項(xiàng)目中。此項(xiàng)目共包含對(duì)25臺(tái)1 000 kW水泵機(jī)組運(yùn)行溫度的監(jiān)控需求，要求監(jiān)控每臺(tái)機(jī)組的12個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)地及監(jiān)控中心兩處顯示，同時(shí)要求溫度刷新時(shí)間不超過4 s.

根據(jù)項(xiàng)目要求，在每臺(tái)水泵機(jī)組的溫度測(cè)點(diǎn)安裝1支Pt100熱電阻溫度探頭，并就近安裝1個(gè)多路Pt100溫控變送器對(duì)12支探頭進(jìn)行采集，以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的現(xiàn)地顯示，數(shù)據(jù)刷新速度約為32 ms；將監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)和多個(gè)變送器接入RS485總線，計(jì)算機(jī)以0.1 s間隔巡檢變送器，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程集中顯示，數(shù)據(jù)刷新速度約為2.5 s．RS485總線選用0.2 mm2帶有金屬屏蔽層的兩芯雙絞線，每個(gè)變送器配置唯一通信地址以9 600 bit/s波特率接入通信總線，總線兩端連接120 Ω的終端電阻用以消除電纜阻抗不連續(xù)或不匹配造成的通信信號(hào)反射，電纜屏蔽層連接大地，用于將干擾諧波進(jìn)行釋放，如此保證了在1 km距離內(nèi)RS485的可靠通信，其布線示意圖如圖6所示。計(jì)算機(jī)與變送器之間采用主從模式的通用ModBus協(xié)議進(jìn)行通信，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

圖6 RS485總線布線示意圖

該項(xiàng)目經(jīng)歷了2012年和2013年兩年汛期的運(yùn)行考驗(yàn)，滿足了項(xiàng)目要求，并順利通過相關(guān)部門的驗(yàn)收。

4 結(jié)束語

文中所介紹的多路Pt100溫控變送器，將模擬開關(guān)引入設(shè)計(jì)中來。單個(gè)變送器通過切換模擬開關(guān)陣列，使用傳感器信號(hào)環(huán)流變送器AD693及電流環(huán)信號(hào)接收轉(zhuǎn)換偏置電路實(shí)現(xiàn)了多路Pt100熱電阻的精準(zhǔn)、快速巡檢。變送器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，工程安裝簡便。實(shí)際工程的成功應(yīng)用，進(jìn)一步證明了該變送器廣泛適用于多設(shè)備、多溫度測(cè)點(diǎn)的工業(yè)測(cè)溫領(lǐng)域。

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