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        一種兩線制通用溫度變送器的研制

        2022-06-01 09:34:54孫富韜吳佳靈孟祥軍
        宇航計(jì)測技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:信號

        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(shí),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(shí),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(lì)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(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,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(lì)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(lì)及輸入電路Fig.2 Pt100 excitation and input circuit

        Pt100采用恒流激勵(lì),三線制輸入,分別連接至變送器輸入端口G、G、G。激勵(lì)電流I通過片選控制分時(shí)激勵(lì)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(shí)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(lì)電流I無關(guān),激勵(lì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)10 MΩ下拉電阻R到GND。傳感器正常工作時(shí),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(shí),則其輸出會(huì)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(bào)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(shí)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(dòng)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(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(shí),首先根據(jù)國際電工委員會(huì)(IEC)規(guī)定的電動(dòng)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(dòng)勢E,則熱電偶輸出總電動(dòng)勢E t為

        然后,再根據(jù)IEC規(guī)定的電動(dòng)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(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(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(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)測溫度確定的D/A輸出電壓,V為運(yùn)放提供的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí),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??煽焖俨灏危閭浞?,具備高低限、斷線報(bào)警功能,可以及時(shí)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?,變送器信號轉(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(shí),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。

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