一种两线制通用温度变送器的研制

刘 溢，孙富韬，吴佳灵，孟祥军

（北京航天计量测试技术研究所，北京 100076）

1 引 言

在航天系统中，由于高可靠性的需要，传感器信号处理电路以原理简单、可靠的模拟信号为主，但不能完成非线性温度信号线性化补偿，无法对热电偶进行精密冷端补偿，无法根据现场条件灵活进行量程迁移等参数设置，导致其测温精度不够。同时，无法实现各种温度信号通用处理，导致模块专一化、多样化，给生产、维护和现场管理带来不便，不具备灵活的人机接口，对现场工况的适应性不足。

基于此，研制了一种两线制高精度通用隔离型温度变送器，可通过人机接口灵活设置处理热电阻、热电偶、电阻、电压等输入信号，实现温度信号的高精度测量。同时，通过变压器实现电源、输入、输出三端隔离，解决了现场信号串扰的问题，提高了变送器抗干扰能力。

2 总体设计方案

总体设计方案主要包括电源系统、激励模块、冷端补偿模块、片选逻辑模块、信号处理模块、A／D模块、MCU处理中心、D／A模块、信号隔离模块和V／I转换模块，如图1所示。其中，电源系统采用24 V直流供电，经由变压器提供5 V、3.3 V隔离电源，为输入、输出两侧各模块供电。激励模块为传感器提供恒流激励，冷端补偿模块为热电偶传感器提供冷端补偿。传感器和冷端补偿模块的输出信号连接至片选逻辑，由MCU处理中心控制，按设定时序选择相应通道信号，经信号处理模块调理成A／D采样所需标准信号后，由A／D模块采样并传输至MCU。MCU根据不同传感器类型，选择对应的算法，计算温度。D／A模块根据MCU指令输出对应控制电压至信号隔离模块，信号隔离模块通过变压器实现输入、输出信号电气隔离，将控制电压等幅传输至V／I转换模块，V／I转换模块根据控制电压实现两线制4 mA～20 mA信号输出。

图1 总体方案框图Fig.1 Block diagram of overall scheme

3 电路设计及工作原理

3.1 传感器模块

通用型温度变送器可以处理热电阻和热电偶以及电阻、电压信号。简单归为电阻和电压两类信号，以热电阻和热电偶为例介绍。

利用热电阻阻值随温度变化的函数关系，即可实现温度测量。其激励及输入电路如图2所示，以铂电阻温度计Pt100（以下简称Pt100）为例。

图2 Pt100激励及输入电路Fig.2 Pt100 excitation and input circuit

Pt100采用恒流激励，三线制输入，分别连接至变送器输入端口G、G、G。激励电流I通过片选控制分时激励100Ω标准电阻和Pt100。电压信号V、V、V、V通过片选2按既定时序送入后端信号处理电路进行处理采样，其输入电阻理想状态为无穷大，故此四条支路上无电流。假设传感器输入引线电阻R＝R＝R＝r，有

式中：V、V——分别代表标准电阻R左、右端电压；V——G端口输入信号经过RC滤波后电压；V——G端口输入信号经过RC滤波后电压；R——100Ω 标准电阻值；R——Pt100电阻值；V——AGND的点电压。

由公式（1）可解出

由公式（2）、（3）可以看出：

①电路完全去除了引线电阻R的影响，从原理上实现了精确测量；

②公式（3）中传感器电阻值R与激励电流I无关，激励电流的精度不影响测量结果；

③标准电阻R的精度和温漂直接影响测量精度，故此，采用高精度低温漂晶圆电阻。

针对两线制输入热电阻，只需把G、G端口短接即可。

利用热电偶两端电动势差随温度变化的函数关系，通过测量热电偶输出电动势，即可实现温度测量。其输入电路如图3所示，适用于所有类型热电偶。

图3 热电偶输入电路Fig.3 Thermocouple input circuit

根据图3可得

式中：E——热电偶输出电动势；ΔU——二极管D两端电压。

由于热电偶输出信号可能为负，即E＜0，故此处通过一个二极管将AGND电位拉高至ΔU，以AGND为信号参考地，则GND构成等效“负电源”，从而无需单独对运放提供负电源。

采用集成温度传感器TMP235测量热电偶冷端温度，对其进行冷端补偿。

如图2、图3所示，在变送器G输入端口连接一个10 MΩ下拉电阻R到GND。传感器正常工作时，由于10 MΩ电阻远远大于传感器内阻，故对析出无影响。当传感器引线发生断线时，则其输出会发生跳变，通过下拉电阻，使得V和V处于确定的高电平或者低电平状态，从而通过监测V和V的极限状态，即可实现断线报警。

3.2 信号调理及采样模块

信号调理及采样模块如图4所示。前端传感器信号V～V及温度冷端补偿信号V经过片选2，由MCU控制，根据不同类型传感器运算需要，按程序既定时序选通，经减法运算放大器，同V做差后，由A／D转换器进行采样，最后将采样结果通过串行通信送MCU处理。

图4 信号调理及A／D模块Fig.4 Signal conditioning and A／D module

此处，选取24位差分输入A／D转换芯片，其负输入端AIN_接AGND，可以减少共模干扰。另外，配合前端减法运算放大器，可以导出其采样结果为

式中：ΔU——AD采样芯片正、负输入端之间的电压；V——片选2选择的输入电压信号；R——比例电阻；R——比例电阻。

对于热电偶，只需选通V，则有：

通过公式（8）可以看出，本电路只需对V选通和采样一次，即可通过硬件实现V－V差分运算，求得热电偶输出电动势，提高了精度和效率。此处，R和R的精度直接影响计算结果，采用高精度低温漂晶圆电阻。

3.3 MCU处理单元

MCU处理单元是整个电路系统的控制和运算单元，选取PIC24系列单片机，主要完成以下功能：

①片选芯片的时序控制；

②根据预定算法完成温度计算和线性化输出；

③各种报警输出；

④人机交互控制中心。配合上位机完成高精度校准以及传感器类型选择、参数设置等数字化通讯输出。

其中，②为其核心任务，主要涉及传感器的高阶多项式拟合及运算，其拟合精度直接影响温度计算的准确性。

对于热电偶信号，由于其输出热电势小，温度范围宽，非线性特征明显，需要进行分区高阶拟合。运算时，首先根据国际电工委员会（IEC）规定的电动势—温度函数，由测得的冷端补偿温度t计算出对应的冷端热电动势E，则热电偶输出总电动势E t为

然后，再根据IEC规定的电动势—温度反函数，计算出相应的温度t即可。

3.4 电源及信号隔离模块

实际设备温度监测过程中，往往需要多支传感器配合使用。在现场复杂工况条件下，可能会导致传感器相互间绝缘下降，从而带来电流串扰的问题，使得输出不准。如图5所示，若传感器绝缘下降，通过被测设备金属外壳导通，则其输出电流I、I、I相互间串扰，从而造成输出跳动，使传感器失效。因此，需要在变送器端实现有效隔离，即传感器输入、输出和电源三端隔离，切断串扰回路。

图5 电流串扰及解决方案示意图Fig.5 Schematic diagram of current crosstalk and solution

电源及信号隔离电路如图6所示。上半部分信号隔离电路中，L为信号隔离变压器，包括驱动、输出和反馈三个绕组，且完全按照1∶1∶1，采用三线并绕方式绕制，使得三个绕组性能理论上完全一致。V为根据实测温度确定的D／A输出电压，V为运放提供的驱动电压，V为经运放跟随后的输出电压，V为反馈电压。由变压器原、副边关系和运放虚短、虚断可以很容易得出

图6 电源及信号隔离模块Fig.6 Power supply and signal isolation module

依据公式（10），输出电压V在反馈电压V作用下，很快跟随了输入电压V。

对于隔离电源部分，L为主电源变压器，L为自激振荡变压器，其与两只NPN三极管及耦合电容等构成自激振荡器，振荡频率由LC谐振频率决定，完成DC－AC转换，为主变压器L的原边提供驱动信号，是电源变换的基础。L副边输出经过二倍压整流、滤波后产生5V 电压VD，给后端电路供电。同时，经过电压基准芯片REF3133产生3.3 V电压基准，给A／D、D／A及MCU供电。

3.5 V／I转换模块

V／I转换模块如图7所示。其中V为信号隔离变压器输出电压，与电阻R构成了基准电流环节；Q为扩流三极管；电阻R、R构成电流放大环节。I为4 mA～20 mA回路输出电流，可以导出

图7 V／I转换模块Fig.7 V／I conversion module

由公式（11）可得，电阻R、R、R的精度和温漂直接影响电流输出精度，此处采用高精度、低温漂晶圆电阻。

4 试验验证

变送器采用通用化、模块化设计，如图8所示。适用于热电阻、所有类型热电偶以及普通电阻、电压输入信号。可快速插拔，互为备份，具备高低限、断线报警功能，可以及时发现故障。

图8 变送器模块Fig.8 Transmitter module

为验证整机功能和精度，通过等效器分别模拟Pt100、K型热电偶、WRe5－WRe26热电偶三种常用类型传感器信号进行试验，其量程分别为（0～500）℃、（0～1 000）℃、（0～1 800）℃，测试数据如表1～表3所示。可以看出，变送器信号转换准确度优于0.1%，满足工业现场使用要求。

表1 Pt100试验数据Tab.1 Pt100 test data

表2 K型热电偶试验数据Tab.2 K-thermocouple test data

表3 钨铼5—钨铼26试验数据Tab.3 WRe5-26 test data

为了验证隔离效果，选取五支K型热电偶传感器，将其传感器负输入端（或正端）相互短接在一起，通电测试，短接前后其输出电流均不发生变化，隔离效果良好，解决了电流串扰的问题。

5 结束语

针对目前温度变送器功能单一，冷端补偿不够精准、非线性化、不能在线标定等问题，本文基于单片机设计了一种两线制通用温度变送器，从软、硬件两方面加以解决。同时，针对使用现场由于绝缘问题而带来的信号串扰，设计了隔离变压器，实现电源、输入、输出三端隔离。试验表明，本文设计的温度变送器信号转换准确度优于0.1%，通用性好，抗干扰能力强，具备良好的工业应用前景。