新型多路Pt100溫控變送器

鄭貴林，王振杰

(武漢大學動力與機械學院，湖北武漢 430072)

0 引言

Pt100熱電阻是一種廣泛應用于工業測溫領域的傳感器，通過對其阻值的測量得到相關設備的運行溫度。不同設備通常有幾個至幾十個溫度測點。目前普遍采用每個溫度測點安裝一個Pt100熱電阻溫度探頭，并就近安裝一個帶有數顯功能的溫控儀表進行采集和顯示。當需要監控的設備和測點較多時，依然采用這種傳統的測控模式，就會帶來數據監控不集中，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]，又會因模擬量的長距離傳輸造成測量精度降低、布線繁重等問題。

文中介紹了一種基于模擬開關的多路Pt100溫控變送器，通過切換特殊參數的模擬開關，實現用一套電路采集16個三線制Pt100熱電阻的測控方法。變送器將采集到的模擬量計算后進行現地顯示與超限報警，并轉化為隔離的RS485數字量進行傳輸，滿足了遠距離信號傳輸的需求，提高了系統抗反擊過電壓的能力。該變送器于2012年3月應用于武漢市湯遜湖泵站(15臺1 000 kW泵組)和大軍山泵站(10臺1 000 kW泵組)，較好地實現了對水泵軸瓦和發電機定子繞組多設備，多點溫度的現地顯示和遠程集中監控，并通過驗收。

1 變送器結構設計

基于模擬開關的多路Pt100溫控變送器由16個特殊參數的模擬開關組成的模擬開關陣列，傳感器信號環流變送器AD693，電流環信號接收轉換偏置電路，數字化隔離通信及現地顯示單元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可以對其導線電阻進行測量補償，從而去除導線電阻帶來的測量誤差[2]。AD693輸出的模擬信號經過轉換偏置電路及通信顯示單元，最終變成數字RS485信號接入通信總線中。變送器結構如圖1所示。

圖1 變送器結構框圖

1．1 模擬開關陣列

變送器的設計思路是用模擬開關陣列來實現16路Pt100熱電阻的切換巡檢。每路三線制Pt100熱電阻對應一片模擬開關，將模擬開關串入電阻并以通斷電的方式進行切換。選用TS3A44159的四通道模擬開關來組成模擬開關陣列，一次成型的集成電路保證了4個通道導通電阻值的強一致性，小于0.45 Ω的導通電阻及小于50 nA的漏電性能[3]，優于絕大多數的同類芯片。用圖2電路分別對多片TS3A44159通道的導通電阻RON進行測量。

圖2 導通電阻測量電路

導通電阻RON可由下面關系式計算出：

(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通道間導通電阻偏差小于0.01 Ω。該阻值引起的溫度測量偏差小于0.03 ℃，對變送器測量精度影響較小，無需進行修正。

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。

1．2 傳感器信號環流變送器

傳統采集模式，多以搭建恒流源流的方式對Pt100熱電阻進行采集，隨著環境溫度的變化，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定，又增加了設備的制造成本。同時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環流變送器AD693對Pt100熱電阻進行采集，AD693可用于三線環路供電，帶有Pt100熱電阻接口并具備預矯正功能，能夠消除線路電阻帶來的測量偏差，進而將Pt100熱電阻的阻值信號轉換成4～20 mA電流信號，解決阻值采集隨溫度變化的非線性問題。AD693無需調整便可保證測量誤差范圍在±0．5%之內，應用簡便僅需外接1支0.01～1 μF容量的防自激補償電容，同時具有6種測溫范圍可供選擇[4]。AD693外圍電路如圖3所示，此電路接法為0～211 ℃測量范圍，適宜絕大多數工控設備運行溫度的監控范圍。

圖3 AD693外圍電路圖

1．3 電流環信號接收轉換偏置電路

電流環信號接收轉換偏置電路，用來將AD693輸出的4～20 mA電流信號轉化為0～5 V電壓信號，便于A/D芯片采集。當4～20 mA電流輸入對應0～5 V電壓輸出時，必須對運放的輸出進行偏置調節。偏置電路如圖4所示，4～20 mA電流信號由Iin端輸入，經過2個75 Ω的檢測電阻，并由其中點返回電源負極。對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換時產生的不均衡。電流信號經差分放大器，轉換成一個與其成正比的電壓信號。放大器反饋通道經由10 V基準電壓產生一個-1．25 V的偏置電壓。根據運放“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，可得到如下關系式：

VO=312.5×Iin-1.25

(2)

式中：Iin為4～20 mA電流信號；VO為經過放大偏置后的輸出電壓。

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

圖4 信號轉換偏置電路

1．4 數字化隔離通信及數字顯示單元

數字化隔離通信及現地顯示單元，使用24位ADC芯片采集0～5 V電壓信號后經SPI端口將電壓份數傳輸至MUC進行計算[5]。MCU在驅動液晶屏幕就地顯示數據的同時又經過其串口與RS485收發器連接，其中RS485收發器選用ADM2483，該芯片具備2.5 kV的通信隔離及±2 kV的ESD保護功能，瞬態高共模抑制能力達到25 kV/μs．為變送器帶來較強的抗反擊過電壓能力。在通信線路距離較長的應用中，能夠有效防止感應雷電對變送器造成的損毀。

變送器的MCU對每一通道進行多次采集，并用中值濾波和均值濾波相復合的方法對數據進行處理[6]。MCU可配置存儲溫度報警閥值，在所測溫度達到報警值時閉合一路繼電器來驅動相關報警設備，并在現地液晶屏幕上進行該數據的閃爍提醒。MCU程序流程如圖5所示，變送器完成16路溫度巡檢的時間約為32 ms．

圖5 MUC程序流程圖

2 變送器溫度測量精度實驗

在0～211 ℃測量范圍內，通過若干種1/1 000精度的電阻串聯成Pt100熱電阻溫度表中精確到0.1 Ω的9個阻值，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應的溫度值進行比對，從而得到變送器的測量誤差。實驗結果見表1，通過9組精密電阻的測量數據比對，測得該變送器的溫度測量絕對誤差小于0.3 ℃，此項指標滿足于絕大多數工業測溫領域的需求。

表1 變送器溫度測量精度實驗結果

3 工程應用案例

該多路Pt100溫控變送器于2012年3月，應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目中。此項目共包含對25臺1 000 kW水泵機組運行溫度的監控需求，要求監控每臺機組的12個溫度測點，并實現數據現地及監控中心兩處顯示，同時要求溫度刷新時間不超過4 s.

根據項目要求，在每臺水泵機組的溫度測點安裝1支Pt100熱電阻溫度探頭，并就近安裝1個多路Pt100溫控變送器對12支探頭進行采集，以實現溫度數據的現地顯示，數據刷新速度約為32 ms；將監控中心的計算機和多個變送器接入RS485總線，計算機以0.1 s間隔巡檢變送器，以實現數據的遠程集中顯示，數據刷新速度約為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或不匹配造成的通信信號反射，電纜屏蔽層連接大地，用于將干擾諧波進行釋放，如此保證了在1 km距離內RS485的可靠通信，其布線示意圖如圖6所示。計算機與變送器之間采用主從模式的通用ModBus協議進行通信，提高系統的可擴展性。

圖6 RS485總線布線示意圖

該項目經歷了2012年和2013年兩年汛期的運行考驗，滿足了項目要求，并順利通過相關部門的驗收。

4 結束語

文中所介紹的多路Pt100溫控變送器，將模擬開關引入設計中來。單個變送器通過切換模擬開關陣列，使用傳感器信號環流變送器AD693及電流環信號接收轉換偏置電路實現了多路Pt100熱電阻的精準、快速巡檢。變送器結構簡單，制造成本低廉，工程安裝簡便。實際工程的成功應用，進一步證明了該變送器廣泛適用于多設備、多溫度測點的工業測溫領域。

參考文獻：

[1] 孫立紅，成泰民．便攜式溫度儀表校驗儀．儀表技術與傳感器，2013(4)：62-63．

[2] 李殊驍，郝赤，龔蘭芳，等．高精度三線制熱電阻檢測方法研究．儀器儀表學報，2008，29(1)：135-139．

[3] 德州儀器(TI)．TS3A44159數據手冊[EB/OL] ．(2008-06-04)[2014-04-01] ．http：//www．ti．com．cn/product/cn/ts3a44159．

[4] 亞德諾半導體(ANALOG DEVICES)．AD693數據手冊，[EB/OL] ．(2008-10-04)[2014-04-01] ．http：//www．analog．com/static/imported-files/data_sheets/AD693．pdf．

[5] 陳明寶．熱電偶溫度測量模塊硬件性能研究．自動化與儀表，2012，27(6)：16-20．

[6] 常園園，范植堅，田軍委．電解加工電解液池的多通道溫度檢測系統．儀表技術與傳感器，2013(2)：55-57．