低温铂电阻变送器设计

湛 月，林 洁

（北京航天试验技术研究所，北京 100071）

特种气体在当今的照明设备、焊接冶金过程、太空探测和半导体工业中硅的生产有着广泛的应用。比如氦气制备，常常采用冷凝法、空分法或氢液化法，制备过程中需要进行温度的监测。而氦气的沸点只有4.2 K，属于超低温，当前市场产品中用于超低温测量的温度传感器很少，而且测量精度不高。因此，本文遵循产品化设计原则，研制了一种满足超低温测量要求的宽量程高精度温度变送器，实现4.2 K～370 K温度测量，并进行4～20 mA电流输出。

1 组成和原理

温度变送器采用二线制电流型，两根线既是电源线也是4 mA～20 mA电流输出线。节省了现场布线的成本。温度变送器和传感器之间采用四线制连接方式，以减小传感器引线电阻造成的测量误差。

图1为温度变送器系统框图。变送器按照功能划分，包括电源及保护电路、恒流源电路、信号调理与A/D转换电路、单片机及外围电路和D/A转换电路。工作原理是：电阻信号经过恒流源驱动转换为电压信号，电压信号通过调理送至A/D转换电路。单片机根据滤波后的A/D转换结果和 “温度-电阻-电流”[1]对应关系，通过查询法和线性插值处理法计算出D/A转换电路的输入值，通过将数字信号转化为4 mA～20 mA的模拟信号输出。

图1 温度变送器系统框图Fig.1 Block diagram of temperature transmitter system

2 温度传感器的选择

常用的低温元件有热敏元件和铂电阻元件，热敏电阻在低温区灵敏度较高，电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，但考虑到热敏电阻的测量温区较窄，例如A3热敏元件测量温区基本在50 K以下，对气体制备的温区监测范围有限，同时，热敏元件容易老化，长期稳定性较差，不适合工业长期使用。Pt1000铂电阻具有测温精度高、测量范围宽、稳定性好、易标定等优点，广泛应用于低温介质温度测量[2]。因此，温度传感器选用Pt1000铂电阻。

不同Pt1000铂电阻元件的阻值也略有差异，为实现高精度测量，每个铂电阻温度元件必须在测量范围内选定一定数量的温度点进行测量该温度下的元件阻值，将温度-阻值的关系建立数组方便查询。由于Pt1000元件在4.2 K～20 K之间阻值较小，为保证传感器精度因此需要增加温度点，采用每0.5 K一个温度点，20 K～90 K采用每1 K一个温度点，常温区精度要求不严格，因此可适当减少温度点来提高传感器的响应速度。

3 硬件电路设计

3.1 A/D采集及恒流源电路

Pt1000铂电阻在4.2 K～370 K温度范围内对应的电阻值为2～1376 Ω，分度表所用的激励电流为0.1 mA，因此数据采集模块处理的电压信号是0.2 mV～137.6 mV，属于典型的小信号测量。数据采集模块的核心A/D转换电路选用适合小信号测量的ADS1220。

ADS1220是一款精密的24位模数转换器，内部有一个低噪声可编程增益放大器，可提供高达128 V/V的增益，高达20位有效分辨率，非常适合小传感器信号测量应用。可实现其他器件的宽电源电压2.3 V～5.5 V供电。两个差分输入或四个单端输入。内部由双匹配可编程电流源，可提供10 μA～1.5 mA范围的恒流源电流。

为实现温度的高精度测量，稳定的恒流源至关重要。根据ADS1220的数据手册，在信号采集和恒流源处均增加RC无源滤波。同时，电源去耦和良好的接地设计是保证高精度模数转换器件达到最佳性能的前提。使用24位ADC时应注意PCB的设计布局，采用模拟电路和数字电路独立分区。模拟地需要尽可能短以减少电磁感应现象，通常在电源与地之间采用星型结构进行连接。同时ADS1220器件区域应采用较大的接地面，模拟接地和数字接地都连接到公共的接地点上。图2为ADS1220输出恒流并采集铂电阻两端电压的部分电路。

ADS1220 可编程输出 10 μA、50 μA、100 μA、250 μA、500 μA、1000 μA、1500 μA 电流为铂电阻提供恒定激励电流。恒流源电流值选择有两个原则：①尽量减小流经铂电阻的电流，使电流发热升温造成的测量误差可以忽略；②根据电流值计算的最小单位温度变化对应的电压变化值小于A/D采样电路的分辨率，综合以上两个原则，同时考虑到进行Pt1000元件“温度-阻值”表建立时采用的激励电流为100μA，因此恒流源输出电流值选择100μA。

3.2 单片机选择

MSP430系列单片机具有模块化结构、超低功耗设计、灵活的始终系统和16位RISC CPU，能够以极少的代码量开发出高性能的应用，片上资源丰富，性价比高，因而广泛应用于智能传感器行业。MSP430F2491单片机是一款超低功耗的单片机，低电源电压供电范围为1.8 V～3.6 V，片上资源丰富，内部含有振荡器，同时I/O口数量满足当前功能需求，并为后续开发HART协议预留足够I/O口。

图2 恒流源及A/D转换电路Fig.2 Constant flow source and A/D convert circuit

3.3 电源及D/A转换电路

工业上最广泛采用的标准模拟量电信号是用4 mA～20 mA直流电流[3]，其抗干扰能力强，同时电流源内阻无穷大，导线电阻对信号传输影响小，使用普通双绞线即可传输数百里。

AD5421是高性能的16位环路供电型4 mA～20 mA数模转换器（DAC），是AD421的升级版本，对比AD421而言，其拥有更好的精度、温度范围、工作电压范围，并能够提供稳压输出[4]。

AD5421通过SPI三线制接口与微处理器连接，通过写入DAC寄存器的数据决定环路电流，电流输出通过LOOP-引脚输出。AD5421内置一路稳压输出，用于为自身及其他器件供电，提供1.8 V～12 V调节输出电压，还内置 1.22 V（REFOUT2）和2.5 V（REFOUT1）基准电压源，因此不需要分立稳压器和基准电压源。此外，AD5421还可以结合标准HART协议通信电路使用，自身额定性能不会受到影响。

本设计中，AD5421有三个功能，一方面将数字信号转换为4 mA～20 mA电流输出，另一方面输出3.3 V电压，为单片机和ADS1220元件提供电压，此外，为产品进一步开发预留HART协议通讯功能。

温度变送器由环路供电，电流环路必须是浮地，否则无法形成；环路电流由两部分组成：静态工作电流和AD5421环路控制电流，它们的总和为环路电流（4 mA～20 mA）。为了满足环路最小电流4 mA的要求，静态工作电流必须小于4 mA，AD5421的静态工作电流是0.3 mA，变送器其他电路MSP430和ADS1220均为低功耗设计，电流远小于3.7 mA，也为后续开发增加HART通讯功能提供了可能。

AD5421提供3.3 V电压及D/A转换的电路如图3所示。

图3 AD5421电路Fig.3 AD5421 and D/C convert circuit

4 单片机软件程序设计

4.1 软件控制流程

整体的温度采集处理及控制电流输出的主要控制流程如图4所示。

图4 软件控制流程Fig.4 Flow chart of the control software

4.2 软件滤波方法

软件滤波方法采用的是滑动平均滤波。滑动平均滤波相对均值滤波可以高效地滤除高频噪声。滑动平均滤波就是把连续取得的N个采样值堪称一个队列，队列的长度固定为N，每次采样得到的一个新的数据放到队尾，并丢掉原来队首的一次数据，把队列中的N个数据进行平均运算，就可以获得新的滤波效果[5]。

N为滑动平均滤波的窗，当窗足够大时滤波效果才能达到要求。经过实验验证，N=32时，可以快速得到稳定的AD采样数值。

4.3 线性处理方法

温度小于50 K的低温段铂电阻的热电阻与温度之间呈现严重的非线性，必须进行线性化处理。温度变送器的线性化处理采用查询法和线性插值结合的方法进行。线性化处理过程包括两个步骤：

步骤1 根据所制备气体氦气4.2K、液氢20K、液氮77 K、液氧90 K等和所需变送器精度，通过Pt1000铂电阻分度表选择基础温度点。通过精密电阻箱模拟铂电阻在不同温度下的电阻值，A/D采集后得到当前电阻对应A/D转换数值，按照4.2 K～370 K对应4 mA～20 mA线性对应关系，计算出写入AD5421的DAC值。最终建立起基础温度点下温度变送器对应 “电阻-采集A/D转换值-输出DAC值-输出电流值”的数据表，形成基础温度点的A/D转换值数组方便查询。

步骤2 单片机采集到当某一温度下的A/D转换值，查询确定所在基础温度点区间，按照线性插值法计算变送器的对应输出电流值。

插值公式：

DAC计算公式：

由于AD5421元件自身加工误差问题，大于19.6 mA时输出误差会逐渐增大，误差可达0.25%，不满足变送器精度要求。因此在温度大于358.5 K时，AD5421采用报警电流模式，可输出电流的理论范围为0～32 mA，可靠工作范围3.5 mA～24 mA，写入7位脉冲，可自动转入报警电流输出模式。

5 试验数据

使用温度变送器和配套Pt1000温度传感器，分别检测液氦、液氢、液氮及液氧温度，获得的检测结果及误差如表1所示。

表1 低温介质温度检测数据表Tab.1 Temperature measurement data table of low temperature medium

由试验所得结果可以看出温度传感器在超低温的几温度点误差小于0.1%，满足特种气体制备过程中温度监测精度要求。

6 结语

本文介绍了基于铂电阻的二线制宽量程高精度温度变送器的实现方法，充分利用ADS1220、AD5421和MSP430F2491单片机的性能，采集的信号经过滤波和线性化处理后，可稳定线性的将4.2 K～370 K温度转化为4 mA～20 mA电流输出，系统测量绝对误差小于0.1%。该变送器稳定性好、可靠性高，产品已经应用于氦气等特种气体制备的行业当中。