新型多路Pt100温控变送器

郑贵林，王振杰

(武汉大学动力与机械学院，湖北武汉 430072)

0 引言

Pt100热电阻是一种广泛应用于工业测温领域的传感器，通过对其阻值的测量得到相关设备的运行温度。不同设备通常有几个至几十个温度测点。目前普遍采用每个温度测点安装一个Pt100热电阻温度探头，并就近安装一个带有数显功能的温控仪表进行采集和显示。当需要监控的设备和测点较多时，依然采用这种传统的测控模式，就会带来数据监控不集中，购买温控仪表成本高等问题。如果将所有温控仪表集中安装或者集中采集温控仪表的4～20 mA二次输出[1]，又会因模拟量的长距离传输造成测量精度降低、布线繁重等问题。

文中介绍了一种基于模拟开关的多路Pt100温控变送器，通过切换特殊参数的模拟开关，实现用一套电路采集16个三线制Pt100热电阻的测控方法。变送器将采集到的模拟量计算后进行现地显示与超限报警，并转化为隔离的RS485数字量进行传输，满足了远距离信号传输的需求，提高了系统抗反击过电压的能力。该变送器于2012年3月应用于武汉市汤逊湖泵站(15台1 000 kW泵组)和大军山泵站(10台1 000 kW泵组)，较好地实现了对水泵轴瓦和发电机定子绕组多设备，多点温度的现地显示和远程集中监控，并通过验收。

1 变送器结构设计

基于模拟开关的多路Pt100温控变送器由16个特殊参数的模拟开关组成的模拟开关阵列，传感器信号环流变送器AD693，电流环信号接收转换偏置电路，数字化隔离通信及现地显示单元4部分组成，将Pt100热电阻以三线制形式接入变送器中，使得AD693可以对其导线电阻进行测量补偿，从而去除导线电阻带来的测量误差[2]。AD693输出的模拟信号经过转换偏置电路及通信显示单元，最终变成数字RS485信号接入通信总线中。变送器结构如图1所示。

图1 变送器结构框图

1．1 模拟开关阵列

变送器的设计思路是用模拟开关阵列来实现16路Pt100热电阻的切换巡检。每路三线制Pt100热电阻对应一片模拟开关，将模拟开关串入电阻并以通断电的方式进行切换。选用TS3A44159的四通道模拟开关来组成模拟开关阵列，一次成型的集成电路保证了4个通道导通电阻值的强一致性，小于0.45 Ω的导通电阻及小于50 nA的漏电性能[3]，优于绝大多数的同类芯片。用图2电路分别对多片TS3A44159通道的导通电阻RON进行测量。

图2 导通电阻测量电路

导通电阻RON可由下面关系式计算出：

(1)

式中：VCOM与VNC分别为两处的电压值；ICOM为该通道中电流值。

由式(1)可得出同一片TS3A44159通道间导通电阻偏差小于0.01 Ω。该阻值引起的温度测量偏差小于0.03 ℃，对变送器测量精度影响较小，无需进行修正。

TS3A44159的前三路通道连接三线制Pt100热电阻，第四路通道连接LED灯指示采集状态。

1．2 传感器信号环流变送器

传统采集模式，多以搭建恒流源流的方式对Pt100热电阻进行采集，随着环境温度的变化，难以保证恒流源的精度。若采用密闭恒温方式来确保恒流源稳定，又增加了设备的制造成本。同时软件上还需要解决阻值随温度变化的非线性问题。

文中介绍的变送器选用传感器信号环流变送器AD693对Pt100热电阻进行采集，AD693可用于三线环路供电，带有Pt100热电阻接口并具备预矫正功能，能够消除线路电阻带来的测量偏差，进而将Pt100热电阻的阻值信号转换成4～20 mA电流信号，解决阻值采集随温度变化的非线性问题。AD693无需调整便可保证测量误差范围在±0．5%之内，应用简便仅需外接1支0.01～1 μF容量的防自激补偿电容，同时具有6种测温范围可供选择[4]。AD693外围电路如图3所示，此电路接法为0～211 ℃测量范围，适宜绝大多数工控设备运行温度的监控范围。

图3 AD693外围电路图

1．3 电流环信号接收转换偏置电路

电流环信号接收转换偏置电路，用来将AD693输出的4～20 mA电流信号转化为0～5 V电压信号，便于A/D芯片采集。当4～20 mA电流输入对应0～5 V电压输出时，必须对运放的输出进行偏置调节。偏置电路如图4所示，4～20 mA电流信号由Iin端输入，经过2个75 Ω的检测电阻，并由其中点返回电源负极。对称输入的形式起到了抑制共模干扰的作用，从了消除了异端电流在差分电压转换时产生的不均衡。电流信号经差分放大器，转换成一个与其成正比的电压信号。放大器反馈通道经由10 V基准电压产生一个-1．25 V的偏置电压。根据运放“虚地”特性，基尔霍夫电流定律，以及因阻值巨大差别而忽略的由300 kΩ与100 kΩ组成的电流输入支路，可得到如下关系式：

VO=312.5×Iin-1.25

(2)

式中：Iin为4～20 mA电流信号；VO为经过放大偏置后的输出电压。

由(2)式可以得出，当Iin为4 mA时，VO为零，当Iin为20 mA时，VO为5 V．

图4 信号转换偏置电路

1．4 数字化隔离通信及数字显示单元

数字化隔离通信及现地显示单元，使用24位ADC芯片采集0～5 V电压信号后经SPI端口将电压份数传输至MUC进行计算[5]。MCU在驱动液晶屏幕就地显示数据的同时又经过其串口与RS485收发器连接，其中RS485收发器选用ADM2483，该芯片具备2.5 kV的通信隔离及±2 kV的ESD保护功能，瞬态高共模抑制能力达到25 kV/μs．为变送器带来较强的抗反击过电压能力。在通信线路距离较长的应用中，能够有效防止感应雷电对变送器造成的损毁。

变送器的MCU对每一通道进行多次采集，并用中值滤波和均值滤波相复合的方法对数据进行处理[6]。MCU可配置存储温度报警阀值，在所测温度达到报警值时闭合一路继电器来驱动相关报警设备，并在现地液晶屏幕上进行该数据的闪烁提醒。MCU程序流程如图5所示，变送器完成16路温度巡检的时间约为32 ms．

图5 MUC程序流程图

2 变送器温度测量精度实验

在0～211 ℃测量范围内，通过若干种1/1 000精度的电阻串联成Pt100热电阻温度表中精确到0.1 Ω的9个阻值，并接入变送器中。将变送器的温度输出值与Pt100热电阻同一阻值所对应的温度值进行比对，从而得到变送器的测量误差。实验结果见表1，通过9组精密电阻的测量数据比对，测得该变送器的温度测量绝对误差小于0.3 ℃，此项指标满足于绝大多数工业测温领域的需求。

表1 变送器温度测量精度实验结果

3 工程应用案例

该多路Pt100温控变送器于2012年3月，应用于湖北省武汉市汤逊湖泵站和大军山泵站信息化改造项目中。此项目共包含对25台1 000 kW水泵机组运行温度的监控需求，要求监控每台机组的12个温度测点，并实现数据现地及监控中心两处显示，同时要求温度刷新时间不超过4 s.

根据项目要求，在每台水泵机组的温度测点安装1支Pt100热电阻温度探头，并就近安装1个多路Pt100温控变送器对12支探头进行采集，以实现温度数据的现地显示，数据刷新速度约为32 ms；将监控中心的计算机和多个变送器接入RS485总线，计算机以0.1 s间隔巡检变送器，以实现数据的远程集中显示，数据刷新速度约为2.5 s．RS485总线选用0.2 mm2带有金属屏蔽层的两芯双绞线，每个变送器配置唯一通信地址以9 600 bit/s波特率接入通信总线，总线两端连接120 Ω的终端电阻用以消除电缆阻抗不连续或不匹配造成的通信信号反射，电缆屏蔽层连接大地，用于将干扰谐波进行释放，如此保证了在1 km距离内RS485的可靠通信，其布线示意图如图6所示。计算机与变送器之间采用主从模式的通用ModBus协议进行通信，提高系统的可扩展性。

图6 RS485总线布线示意图

该项目经历了2012年和2013年两年汛期的运行考验，满足了项目要求，并顺利通过相关部门的验收。

4 结束语

文中所介绍的多路Pt100温控变送器，将模拟开关引入设计中来。单个变送器通过切换模拟开关阵列，使用传感器信号环流变送器AD693及电流环信号接收转换偏置电路实现了多路Pt100热电阻的精准、快速巡检。变送器结构简单，制造成本低廉，工程安装简便。实际工程的成功应用，进一步证明了该变送器广泛适用于多设备、多温度测点的工业测温领域。

参考文献：

[1] 孙立红，成泰民．便携式温度仪表校验仪．仪表技术与传感器，2013(4)：62-63．

[2] 李殊骁，郝赤，龚兰芳，等．高精度三线制热电阻检测方法研究．仪器仪表学报，2008，29(1)：135-139．

[3] 德州仪器(TI)．TS3A44159数据手册[EB/OL] ．(2008-06-04)[2014-04-01] ．http：//www．ti．com．cn/product/cn/ts3a44159．

[4] 亚德诺半导体(ANALOG DEVICES)．AD693数据手册，[EB/OL] ．(2008-10-04)[2014-04-01] ．http：//www．analog．com/static/imported-files/data_sheets/AD693．pdf．

[5] 陈明宝．热电偶温度测量模块硬件性能研究．自动化与仪表，2012，27(6)：16-20．

[6] 常园园，范植坚，田军委．电解加工电解液池的多通道温度检测系统．仪表技术与传感器，2013(2)：55-57．