陳 猛，鄭一鳴，陳非凡

(1.清華大學(xué)，精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江杭州 310014)

0 引言

針對智慧電網(wǎng)等新型智能物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求，信息物理系統(tǒng)(CPS)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)等技術(shù)領(lǐng)域均愈發(fā)注重系統(tǒng)的可重構(gòu)性和可擴(kuò)展性[1-2]。現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及系統(tǒng)集成方法方面[3-5]。智能感知節(jié)點(diǎn)作為物聯(lián)網(wǎng)功能重構(gòu)的重要組成部分，對其傳感器自適應(yīng)測量方面的研究相對較少。

以溫度智能感知應(yīng)用場景為例，在同一測控網(wǎng)絡(luò)中可能需要同時(shí)接入大量不同種類和不同型號的溫度傳感器，且有可能隨時(shí)新增一些溫度傳感器以進(jìn)一步滿足實(shí)際需求。在類型眾多的溫度傳感器中，熱電偶及以鉑電阻和NTC熱敏電阻為代表的電阻式溫度傳感器應(yīng)用最為廣泛。現(xiàn)有的溫度變送器和測溫裝置通常是面向特定類型的溫度傳感器而設(shè)計(jì)[6-8]。這將導(dǎo)致同一網(wǎng)絡(luò)中存在大量異構(gòu)節(jié)點(diǎn)，給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、配置、重構(gòu)以及維護(hù)帶來巨大挑戰(zhàn)。而已有的一些兼容性測量電路仍需依賴手動(dòng)接插跳線或?qū)τ布娐愤M(jìn)行部分調(diào)整才能適應(yīng)不同類型的溫度傳感器的測量[9-10]，同時(shí)還需要為不同類型的傳感器分別設(shè)計(jì)并加載不同軟件才能工作。在新型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，迫切需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)多類型溫度傳感器自適應(yīng)測量的智能感知節(jié)點(diǎn)。

本文研制了一種具備自組網(wǎng)測量能力的多類型溫度傳感器自適應(yīng)智能感知節(jié)點(diǎn)。提出了多類型溫度傳感器自適應(yīng)接口方法及其溫度信息自適應(yīng)轉(zhuǎn)換方法，可在不改變節(jié)點(diǎn)任何軟硬件的前提下，實(shí)現(xiàn)以四端子接口直接接入并自動(dòng)測量1路不同型號的二/三/四線制電阻式溫度傳感器或2路K/J/E/T/S/R/B/N/C/A型的熱電偶。節(jié)點(diǎn)有望應(yīng)用于各類智能物聯(lián)系統(tǒng)的溫度感知場景。

1 節(jié)點(diǎn)工作原理

圖1給出了多類型溫度傳感器自適應(yīng)智能感知節(jié)點(diǎn)原理框圖。節(jié)點(diǎn)中設(shè)計(jì)了2個(gè)四端子的傳感器接口，每個(gè)接口可直接接入1路二/三/四線制電阻式溫度傳感器(鉑電阻或NTC熱敏電阻)或2路各種類型的熱電偶；節(jié)點(diǎn)中還包括一個(gè)多類型溫度傳感器自適應(yīng)感知接口電路，該電路可用于主動(dòng)探測和識別節(jié)點(diǎn)實(shí)際接入的傳感器種類及通道，并自動(dòng)配置成相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換電路，從而實(shí)現(xiàn)傳感器信號的自適應(yīng)調(diào)理和測量；在節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的MCU中，設(shè)計(jì)并嵌入了多類型溫度傳感器測量信息自適應(yīng)轉(zhuǎn)換算法，能自動(dòng)地將不同型號的溫度傳感器的測量信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度感知信息；節(jié)點(diǎn)中的網(wǎng)絡(luò)接口單元為節(jié)點(diǎn)提供了自組網(wǎng)測量能力，多個(gè)節(jié)點(diǎn)可通過彼此相連形成一個(gè)復(fù)雜的分布式智能物聯(lián)測控網(wǎng)絡(luò)。通過該網(wǎng)絡(luò)一方面可匯聚各節(jié)點(diǎn)的溫度測量數(shù)據(jù)，另一方面可使每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠在線獲取按預(yù)期任務(wù)需求接入的溫度傳感器的具體型號。

圖1 節(jié)點(diǎn)原理框圖

在采用以上智能感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)測量時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)知的功能需求即可獲知各節(jié)點(diǎn)所需接入的溫度傳感器的具體型號，并可通過網(wǎng)絡(luò)在線配置方式將其寫入各節(jié)點(diǎn)。由于在現(xiàn)場安裝施工之前，尚無法確定各節(jié)點(diǎn)中溫度傳感器實(shí)際接入的端口位置、電阻式溫度傳感器的線制以及熱電偶的實(shí)際接入通道。若節(jié)點(diǎn)能夠自主完成傳感器類型和接入通道的識別、測量電路的自動(dòng)配置以及溫度信息的自適應(yīng)測量轉(zhuǎn)換，則能最大限度地簡化節(jié)點(diǎn)的在線配置過程。

1.1 傳感器類型的探測與識別

圖2給出了多類型溫度傳感器自適應(yīng)感知接口電路的具體工作原理。該電路主要包括四端子接口(含A～D 4個(gè)連接端子)、多通道模擬開關(guān)、可編程增益放大器(PGA)、ADC、接線回路探測電路、精密參考電阻、恒流源、偏置電壓源、電壓基準(zhǔn)源及熱電偶冷端補(bǔ)償溫度傳感器等部件。

圖2 多類型溫度傳感器自適應(yīng)感知接口電路原理

不同類型的溫度傳感器可按照圖2左側(cè)所示的接入方法連接到智能感知節(jié)點(diǎn)。通過圖2所示的接線回路探測電路和多通道模擬開關(guān)的組合應(yīng)用，可對傳感器接口的4個(gè)端子之間的連通性進(jìn)行探測。再將其實(shí)際探測結(jié)果與預(yù)知的傳感器連接特征進(jìn)行對照，即可識別出所接入的傳感器是電阻式溫度傳感器還是熱電偶溫度傳感器，以及電阻式溫度傳感器的線制類型或熱電偶的實(shí)際接入通道。

以如圖2所示的A、D端子為例，閉合接線回路探測電路的Sp、Sn及多通道模擬開關(guān)的S2、S7。在大阻值上下拉電阻Rp和Rn的分壓作用下，若A、D端子在外部經(jīng)傳感器連通形成回路，則在PGA輸入端的±極之間的電壓極?。环粗?，若A、D端子未經(jīng)傳感器形成連通回路，則PGA輸入端的±極之間的電壓將很大；這種差別可以很容易地通過ADC輸出進(jìn)行判斷，從而識別端子間的連通性。

基于以上端子間連通性探測方法，圖3給出了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)傳感器類型識別和接入通道判別的具體工作流程。首先對A-D端子間連通性進(jìn)行探測可識別所接入傳感器的種類；然后再經(jīng)過至多2次探測，即可識別出電阻式溫度傳感器的線制類型或熱電偶的實(shí)際接入通道。

圖3 傳感器類型識別與接入通道判別具體工作流程

1.2 電阻式溫度傳感器的自適應(yīng)測量

經(jīng)過智能感知節(jié)點(diǎn)的探測和識別后，若接入的溫度傳感器為電阻式溫度傳感器，則自適應(yīng)感知接口電路將基于自動(dòng)探測所獲得的線制信息自動(dòng)配置多通道模擬開關(guān)，按照圖4(a)～圖4(c)所示方式將傳感器接入的對應(yīng)端子連通至PGA的差分輸入端，然后基于比例式電阻測量方法自動(dòng)測量傳感器阻值并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線電阻補(bǔ)償。

圖4 多線制比例式電阻測量方法

比例式電阻測量方法的測量原理如圖4所示，激勵(lì)電流Is依次流經(jīng)被測電阻Rx及參考電阻Rref最終進(jìn)入地。Rx兩端差分電壓Vx經(jīng)過PGA放大A倍后作為ADC的輸入電壓，Rref兩端差分電壓Vref被用作ADC的參考電壓，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換原理：

(1)

式中：Dout為ADC輸出數(shù)字量；Is為激勵(lì)電流值；Rx為被測傳感器阻值；Rref為參考電阻阻值；A為PGA增益倍數(shù)；N為ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)。

由式(1)可得Rx的測量方程為

(2)

從式(2)可以看出，比例式電阻測量方法的測量基準(zhǔn)為參考電阻，由此可自動(dòng)消除激勵(lì)電流的誤差和波動(dòng)性對測量結(jié)果的影響，從而令傳感器阻值的測量精度得以有效提升。

當(dāng)接入三線制電阻式溫度傳感器時(shí)，節(jié)點(diǎn)按圖4(b)方式將端子導(dǎo)通至PGA輸入端，通過先后測量A、B端子間和B、D端子間的電阻，然后自動(dòng)將2次測量結(jié)果作差從而抵消線阻對測量結(jié)果的影響；當(dāng)接入四線制電阻式溫度傳感器時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過圖4(c)所示開爾文電路結(jié)構(gòu)自動(dòng)消除線阻對測量結(jié)果的影響，只需直接測量B、C端子間的電阻即可。

智能感知節(jié)點(diǎn)自動(dòng)測量得到傳感器阻值后，需在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)一步將阻值轉(zhuǎn)換成溫度信息。傳統(tǒng)測溫裝置常用分度表插值的方法實(shí)現(xiàn)測量轉(zhuǎn)換[11]。因此需要對每個(gè)型號的溫度傳感器設(shè)計(jì)不同的專用驅(qū)動(dòng)程序并預(yù)置不同的分度表，這不僅需要占用大量的MCU存儲(chǔ)資源，且難以擴(kuò)展支持更多型號，無法滿足多類型溫度傳感器的測量轉(zhuǎn)換需求。

為解決上述問題，本文提出了一種基于參數(shù)化通用測量轉(zhuǎn)換方程的多類型溫度傳感器溫度信息自適應(yīng)轉(zhuǎn)換方法。

對于鉑電阻溫度傳感器，可采用如下所示的Callendar-Van Dusen (CVD)方程作為“電阻→溫度”通用測量轉(zhuǎn)換方程：

(3)

式中：T為鉑電阻的感知溫度；RT為鉑電阻在溫度為T時(shí)的阻值；R0為鉑電阻在0 ℃時(shí)的標(biāo)稱阻值，例如Pt100的R0為100 Ω；A0、B0、C0為CVD方程常數(shù)，與鉑電阻制造時(shí)所遵循的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)不同型號的鉑電阻溫度傳感器的“電阻→溫度”測量轉(zhuǎn)換?？梢詫⑹?3)中所涉及的測量轉(zhuǎn)換方程系數(shù)(R0、A0、B0、C0)提煉成通用的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)數(shù)據(jù)表，并將其存儲(chǔ)于節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的非易失性存儲(chǔ)單元中。

表1給出了該標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)數(shù)據(jù)表的存儲(chǔ)形式。本文所研制的智能感知節(jié)點(diǎn)內(nèi)置了EN-60751、ITS-90、JIS C1604 3種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下的Pt100、Pt1000鉑電阻溫度傳感器的全部標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)。若需支持更多型號的鉑電阻傳感器，僅需在表1增加1行參數(shù)即可，無需對節(jié)點(diǎn)的軟硬件進(jìn)行任何改動(dòng)。

表1 鉑電阻通用測量轉(zhuǎn)換方程標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)數(shù)據(jù)表

NTC熱敏電阻的“電阻→溫度”通用測量轉(zhuǎn)換方程可采用式(4)所示的Steinhart-Hart方程：

(4)

式中：T為傳感器的感知溫度；R為傳感器阻值；a、b、c為與NTC熱敏電阻自身相關(guān)的常數(shù)。

為了能夠適應(yīng)不同型號的NTC熱敏電阻溫度傳感器?？砂凑疹愃朴诒?所示的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)數(shù)據(jù)表的構(gòu)建與存儲(chǔ)方法，將式(4)中所涉及的測量轉(zhuǎn)換方程系數(shù)(a、b、c)提煉成一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)數(shù)據(jù)表。該表中需要存儲(chǔ)的所有參數(shù)依次為：“NTC型號”、“溫度區(qū)間”、“a”、“b”、“c”。

與表1不同的是，該數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)不能來自于文獻(xiàn)資料，需要通過分溫度區(qū)間的具體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得。不同型號的NTC熱敏電阻在不同溫度區(qū)間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)的標(biāo)定方法為：在劃分的溫度區(qū)間內(nèi)分別標(biāo)定3個(gè)溫度點(diǎn) (R1,T1)、(R2,T2)、(R3,T3)，將其代入式(4)即可聯(lián)立求解得到該溫度區(qū)間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)a、b、c。

本文所研制的智能感知節(jié)點(diǎn)已支持常用的B值為3950K的NTC-1k和NTC-2k型熱敏電阻的自適應(yīng)測量。欲支持更多型號，僅需按上述標(biāo)定方法獲取標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)并將其填入NTC熱敏電阻標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)數(shù)據(jù)表即可。

1.3 熱電偶溫度傳感器的自適應(yīng)測量

經(jīng)過智能感知節(jié)點(diǎn)的探測和識別后，若接入的傳感器為熱電偶溫度傳感器，則節(jié)點(diǎn)將基于熱電偶的接入通道信息自動(dòng)配置多通道模擬開關(guān)和電壓偏置源，自動(dòng)按照圖5所示方式將熱電偶的接入端子連通至PGA的差分輸入端，從而測得熱電偶熱端溫度T相對于冷端溫度T0的熱電勢差ET,T0。若2路熱電偶同時(shí)接入，則節(jié)點(diǎn)將分時(shí)對其進(jìn)行逐一測量。

圖5 多路熱電偶測量方法

由于熱電偶的熱電勢差很小，本文按圖5所示的熱電偶單端偏置方法為接入的熱電偶施加共模偏置電壓Vbias，以便PGA放大電路能夠進(jìn)行足夠高增益的放大。單端偏置法可利用PGA的高輸入阻抗特性大幅降低熱電偶中的偏置電流，幾乎可以完全消除偏置電流導(dǎo)致的熱電偶自熱誤差以及偏置電流于熱電偶導(dǎo)線電阻上產(chǎn)生的壓降誤差。

根據(jù)熱電偶國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16839.1—2018[12]，所有標(biāo)準(zhǔn)類型熱電偶(K/J/E/T/S/R/B/N/C/A型)的“溫度→熱電勢”及“熱電勢→溫度”測量轉(zhuǎn)換均可采用多項(xiàng)式函數(shù)實(shí)現(xiàn)。本文基于此函數(shù)實(shí)現(xiàn)了熱電偶傳感器溫度信息的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。

首先，通過熱電偶冷端補(bǔ)償溫度傳感器可測得熱電偶的冷端溫度T0。將T0代入如下通用的熱電偶“溫度→熱電勢”測量轉(zhuǎn)換方程[12]，獲得熱電偶冷端溫度相對于0 ℃的等效熱電勢差ET0：

(5)

式中：ci為多項(xiàng)式第i階的系數(shù)；n為多項(xiàng)式的階數(shù)；a0～a2為僅跟K型熱電偶有關(guān)的常數(shù)，對于其他類型的熱電偶而言，該系數(shù)均為0。

其次，根據(jù)熱電偶中間溫度定律，熱電偶熱端溫度T相對于0 ℃的熱電勢差ET可表達(dá)為

ET=ET,T0+ET0

(6)

式中：ET,T0為節(jié)點(diǎn)所測得的熱電偶熱端溫度T相對于冷端溫度T0的熱電勢差；ET0為式(5)求得的熱電偶冷端溫度T0相對于0 ℃的等效熱電勢差。

最后，將式(6)計(jì)算所得的ET代入如下通用的“熱電勢→溫度”測量轉(zhuǎn)換方程[12]，可求得熱電偶熱端溫度T：

(7)

式中：di為多項(xiàng)式第i階的系數(shù)；n為多項(xiàng)式的階數(shù)。

為了適應(yīng)所有標(biāo)準(zhǔn)類型的熱電偶溫度傳感器，可按照類似于表1所示表格的構(gòu)建與存儲(chǔ)方法，分別將式(5)和式(7)中與熱電偶具體類型有關(guān)的參數(shù)提煉出來，并構(gòu)建成對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)數(shù)據(jù)表。

熱電偶“溫度→熱電勢”通用測量轉(zhuǎn)換方程標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)數(shù)據(jù)表所需存儲(chǔ)的參數(shù)依次為：“熱電偶類型”、“溫度區(qū)間”、“a0”、“a1”、“a2”、“c0”、“c1”、…、“c14”；熱電偶“熱電勢→溫度”通用測量轉(zhuǎn)換方程標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)數(shù)據(jù)表所需存儲(chǔ)的參數(shù)依次為：“熱電偶類型”、“熱電勢區(qū)間”、“d0”、“d1”、…、“d10”。

上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)數(shù)據(jù)表中所需的參數(shù)均可從熱電偶國家標(biāo)準(zhǔn)[12]中獲得，在表中分別填入K/J/E/T/S/R/B/N/C/A共10種標(biāo)準(zhǔn)類型熱電偶的對應(yīng)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)上述所有類型熱電偶的溫度信息自適應(yīng)測量轉(zhuǎn)換。

2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖6為所設(shè)計(jì)的智能感知節(jié)點(diǎn)的硬件功能實(shí)現(xiàn)框圖。為了提高電路集成度，節(jié)點(diǎn)采用ADS124S08芯片實(shí)現(xiàn)圖2所示自適應(yīng)感知接口電路的部分功能。該芯片可提供24位Σ-Δ型ADC、1～128倍增益PGA、10 μA～2 mA可變電流源，2.5 V高精度電壓基準(zhǔn)源，一對斷路檢測微電流源(可充當(dāng)接線回路探測電路)，一個(gè)可輸出Vcc/2的偏置電壓源(Vbias)，以及13個(gè)模擬輸入引腳。同時(shí)，該芯片具備功能豐富的多路復(fù)用器(MUX)，可將PGA的差分輸入通道與13路模擬輸入引腳進(jìn)行任意匹配，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)可變電流源和偏置電壓源在不同模擬輸入引腳上的加載。

圖6 節(jié)點(diǎn)硬件功能實(shí)現(xiàn)框圖

熱電偶冷端補(bǔ)償溫度傳感器采用典型測溫精度為±0.062 5 ℃的TMP275型數(shù)字溫度傳感器。

參考電阻采用阻值為22 kΩ，溫漂優(yōu)于±5 ppm/℃的PCF0805-13-22KBT1型金屬薄膜基準(zhǔn)電阻。測量電阻式溫度傳感器時(shí)，可調(diào)電流源被設(shè)定為0.1 mA，以降低傳感器自熱效應(yīng)對測量結(jié)果的影響。

MCU采用STM32F103C8T6。網(wǎng)絡(luò)接口單元采用課題組自研的IPT12511型CAN總線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口器件[3]，可基于“信息管道技術(shù)”實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)和信息交互[4]。節(jié)點(diǎn)采用直流9～36 V總線式供電。采用一條多芯線纜提供供電與通信鏈路。

如圖6所示，節(jié)點(diǎn)設(shè)置了C1、C2 2個(gè)四端子傳感器接口，2個(gè)接口均可實(shí)現(xiàn)多類型溫度傳感器的自適應(yīng)測量功能。

圖7為節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的自適應(yīng)測量程序工作流程圖。

圖7 自適應(yīng)測量程序工作流程圖

3 測試實(shí)驗(yàn)

為了測試智能感知節(jié)點(diǎn)對不同種類和不同型號溫度傳感器的自適應(yīng)測量能力，構(gòu)建了如圖8所示的多類型溫度傳感器分布式智能物聯(lián)組網(wǎng)測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。所構(gòu)建的分布式測量網(wǎng)絡(luò)中包含一個(gè)供電節(jié)點(diǎn)、一個(gè)網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)以及多個(gè)本文研制的智能感知節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)通過一條可同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電與通信的線纜連接在一起。網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)與上位機(jī)相連，用于為所有感知節(jié)點(diǎn)在線選定接入的溫度傳感器型號以及采集和顯示測量信息。

圖8 分布式智能物聯(lián)組網(wǎng)測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 多類型溫度傳感器自適應(yīng)測量實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)對不同種類、不同型號、不同線制的電阻式溫度傳感器以及不同類型的熱電偶溫度傳感器具備自適應(yīng)測量能力。將3個(gè)軟硬件完全一致的智能感知節(jié)點(diǎn)接入圖8所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并將8種溫度傳感器直接接入上述3個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括：四線Pt1000、二線NTC-1k、四線Pt100、三線Pt100、K型熱電偶、J型熱電偶、E型熱電偶、T型熱電偶。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將所有溫度傳感器以及一個(gè)四線AAA級Pt1000高精度鉑電阻溫度基準(zhǔn)集中放置于ESPEC- SU262型高低溫試驗(yàn)箱中，并設(shè)定常溫、37 ℃恒溫和65 ℃恒溫3個(gè)溫度試驗(yàn)臺階進(jìn)行變溫和恒溫實(shí)驗(yàn)。溫箱內(nèi)的環(huán)境溫度由上位機(jī)控制Agilent34401A型六位半臺式萬用表實(shí)時(shí)測量鉑電阻溫度基準(zhǔn)獲得，并將該溫度用作其他溫度傳感器測量結(jié)果的對比基準(zhǔn)。3個(gè)智能感知節(jié)點(diǎn)每隔2 s進(jìn)行1次同步采集，共采集2 000個(gè)點(diǎn)。

圖9給出了整個(gè)過程中多類型溫度傳感器的測溫曲線?？梢?，8種溫度傳感器對溫箱內(nèi)的環(huán)境溫度的測量結(jié)果與基準(zhǔn)溫度基本一致。

圖9 多類型溫度傳感器測溫曲線

表2進(jìn)一步給出了8種溫度傳感器在常溫、37 ℃和65 ℃3個(gè)恒溫階段的100次測量結(jié)果相對于基準(zhǔn)溫度的測溫誤差分析結(jié)果。其中，δ代表測溫誤差的平均值，σ代表測溫誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。

表2 多類型溫度傳感器測溫誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 ℃

由表2可知，在3個(gè)恒溫階段中，各型電阻式溫度傳感器的測溫誤差平均值均低于0.24 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差均低于0.02 ℃；各型熱電偶傳感器的測溫誤差平均值均低于0.63 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差均低于0.04 ℃。

以上測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果可證明本文所研制的智能感知節(jié)點(diǎn)具備對不同型號的二/三/四線制電阻式溫度傳感器及不同類型的熱電偶的自適應(yīng)測量能力。但考慮到溫度傳感器自身的制造誤差以及溫箱內(nèi)的溫度梯度變化和氣流波動(dòng)等因素會(huì)對測量結(jié)果造成影響，表2中的測溫誤差結(jié)果還不足以表征智能感知節(jié)點(diǎn)自身的實(shí)際測量性能。

3.2 感知節(jié)點(diǎn)測量性能評估實(shí)驗(yàn)

為了排除上述因素對智能感知節(jié)點(diǎn)測量性能評估的影響，進(jìn)一步選用標(biāo)準(zhǔn)電阻對節(jié)點(diǎn)的測量特性進(jìn)行研究，并以電阻測量誤差來表征節(jié)點(diǎn)的理論測溫精度。

首先選取100 Ω、1 kΩ、10 Ω和21 kΩ 4個(gè)溫度系數(shù)優(yōu)于±5 ppm/℃的EE系列精密金屬膜電阻作為被測標(biāo)準(zhǔn)電阻，由Agilent34401A標(biāo)定其實(shí)際阻值。而后使用開爾文夾具夾持上述標(biāo)準(zhǔn)電阻接入智能感知節(jié)點(diǎn)，以設(shè)定的2.5 SPS的測量頻率采樣100次并取均值。

表3給出了智能感知節(jié)點(diǎn)的電阻測量誤差以及將電阻測量誤差分別對應(yīng)到Pt100、Pt1000和NTC-1k 3種電阻式溫度傳感器得到的理論測溫精度表征結(jié)果。

表3 電阻測量誤差及理論測溫精度表征結(jié)果

由表3可知，在不考慮傳感器自身標(biāo)稱精度的前提下，智能感知節(jié)點(diǎn)對Pt100和Pt1000的理論測溫精度可優(yōu)于2.6 mK；對于NTC-1k型熱敏電阻，10 Ω～21 kΩ對應(yīng)測溫范圍約為-30～+184 ℃，智能感知節(jié)點(diǎn)對其理論測溫精度可達(dá)0.14～5.3 mK。

4 結(jié)束語

針對智慧電網(wǎng)等領(lǐng)域的溫度智能感知需求，本文研制了具備自組網(wǎng)測量能力的多類型溫度傳感器自適應(yīng)智能感知節(jié)點(diǎn)。提出了多類型溫度傳感器自適應(yīng)感知接口方法，實(shí)現(xiàn)了以四端子接口直接接入1路二/三/四線制電阻式溫度傳感器(如鉑電阻和NTC熱敏電阻)或2路熱電偶溫度傳感器，并可主動(dòng)對傳感器發(fā)起探測和識別，并根據(jù)識別結(jié)果自適應(yīng)地完成測量電路的配置及傳感器信號的調(diào)理。設(shè)計(jì)了基于參數(shù)化通用測量轉(zhuǎn)換方程的多類型溫度傳感器溫度信息自適應(yīng)轉(zhuǎn)換方法。在不改變節(jié)點(diǎn)軟硬件的前提下實(shí)現(xiàn)了多種型號的鉑電阻、NTC熱敏電阻及10種國標(biāo)類型熱電偶的溫度信息自適應(yīng)轉(zhuǎn)換，占用存儲(chǔ)小且易于擴(kuò)展支持更多型號。

基于本文所研制的智能感知節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了多類型溫度傳感器分布式組網(wǎng)測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。采用8種不同種類及型號的溫度傳感器驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)測量能力。節(jié)點(diǎn)自身的理論測溫精度優(yōu)于5.3 mK，有望應(yīng)用于各類智能物聯(lián)系統(tǒng)的溫度感知場景。