CN103616086B

CN103616086B - 热电阻温度变送器

Info

Publication number: CN103616086B
Application number: CN201310586129.0A
Authority: CN
Inventors: 董晓波; 贾立新; 蔡安
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: CN103616086A

Abstract

热电阻温度变送器由信号调理模块、计算模块、电流变送模块、HART接口组成；信号调理模块包括作为测温传感器的热电阻、将热电阻阻值转化为差分电压的电阻桥、模拟输入引脚、可编程放大器及24位Σ-Δ型ADC，差分电压经过放大及A/D转换送入计算模块中。计算模块由三个计算器及一个ROM组成；计算器1根据A/D转换结果计算得到热电阻的阻值并进行热电阻阻值的在线校准；计算器2计算精确的温度值，ROM中存储有热电阻分度表；计算器3补偿温度计算值，并且将温度值转化成相应的数字量后通过SPI接口串行输出给电流变送模块转换成电流输出；通过异步串行口UART输出给HART接口，转换成HART信号输出。

Description

热电阻温度变送器

（一）技术领域

本发明涉及温度测量领域，具体涉及一种采用热电阻作为测温传感器，使用HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)协议进行通信的温度变送器。

（二）背景技术

温度是工业生产过程中的一个非常常见且基本的参数之一，它的精确测量以及对其有效的控制对工业生产的正常有序进行非常重要。目前，工业过程中温度的测量通常使用热电阻温度变送器，变送器的输出主要为模拟电信号。热电阻与温度变送器之间三线制连接，用电阻桥将热电阻的阻值转化成电信号。由于电阻桥上固定电阻阻值的容差和离散性，热电阻电阻值的测量值与实际值之间存在误差，缺乏简要方便的校准方式，测温精度低，不利于批量化生产。

常用的带有通信接口的热电阻温度变送器设计方案如下：

(1)利用微处理器C8051F350、数/模转换器、XTR116和MAX485。

微处理器C8051F350内含由模拟选择开关、可调程控增益放大器、Σ-Δ型模/数转换器构成的高精度数据采集系统，以及增强型的SPI接口和异步串行口。XTR116为电流输出转换器。MAX485为半双工串行差模电压输出的通信接口芯片。数/模转换器将来自微处理器的数字量转换成模拟信号后经由XTR116转换成4～20mA电流输出。微处理器还可以直接将数字量串行传输给MAX485转换成差分电压输出。

(2)利用微处理器、AD421和HT2012。

AD421为环路供电，内含16位数/模转换器的V/I变换电路。HT2012为工作在贝尔202标准的一种半双工CMOS低功耗调制解调器。AD421内含稳压器可输出3.3V电压给系统供电。微处理器输出的数字量直接由AD421转换成4～20mA电流输出。微处理器输出的数字量还可以通过HT2012调制成HART信号，经过输出整形后耦合到电流环中输出。

(3)利用ADuCM360、AD5421和AD5700-1。

ADuCM360为低功耗高精密的模拟微处理器，片内含有ARMCortexM3内核、6个差分输入或11个单端输入通道、模拟选择开关、1～128可调程控增益放大器、双重的24位Σ-Δ型A/D转换器构成的高精度数据采集系统，128kB的FlashROM，8kB的SRAM以及SPI接口和异步串行口UART。AD5421是AD421的升级版，功能与AD421相比大大增强。AD5700-1为自带RC振荡器的低功耗HART调制解调接口芯片。ADuCM360输出的数字量可由AD5421转换成4～20mA电流输出，由AD5700-1调制成HART信号，经过输出整形后耦合到电流环中输出。

第一种方案使用元器件比较多，且温度变送器与测控设备间使用模拟信号进行通信，精度不高，模拟信号在传输过程中易受到干扰，传送给测控设备后，还需转换为电信号，使用不便。第二种方案中HT2012实现HART接口功能需要一些外围电路，电路设计比较复杂，且需要单片机给它工作提供460.8kHz的时钟，这个时钟比较难得到。第三种方案电路设计采用集成芯片，成本较贵。

（三）发明内容

本发明要克服温度测量精度低、校准困难、成本较贵、使用模拟信号传输易受干扰的缺点，提供一种集成度高且具有HART协议接口的热电阻温度变送器。它成本低、测温精度高、抗干扰能力强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

热电阻温度变送器，主要由信号调理模块、计算模块、电流变送模块、HART接口组成；

信号调理模块包括作为测温传感器的热电阻、将热电阻阻值转化为差分电压的电阻桥、模拟输入引脚、可编程放大器及24位Σ-Δ型ADC，差分电压经过放大及A/D转换送入计算模块中；

计算模块由三个计算器及一个ROM组成；第一计算器根据A/D转换结果计算得到热电阻的阻值并进行热电阻阻值的在线校准；第二计算器根据热电阻的阻值采用热电阻的线性化技术计算得到精确的温度值，ROM中存储有热电阻分度表；第三计算器利用基于环境温度的补偿技术，补偿温度计算值，并且将温度值转化成相应的数字量后通过SPI接口串行输出给电流变送模块转换成电流输出，通过异步串行口UART输出给HART接口，转换成HART信号输出；

系统的电源由4～20mA的电流环提供，电流变送模块输出电压VCC用于其他电路的工作，计算器及ADC的时钟由HART接口提供。

电阻桥由热电阻与固定电阻R1、R2、R3构成，电阻桥的两路输出并一个电容后分别连接模拟输入引脚AIN0.0和AIN0.1。热电阻的一端与模拟输入引脚AIN0.2接模拟地。

当A/D转换器的同相输入端和反相输入端都接模拟输入引脚AIN0.1时，相当于差模电压为0V，用于ADC的偏移量校准；当A/D转换器的同相输入端接模拟输入引脚AIN0.1，反相输入端接模拟输入引脚AIN0.2时，相当于输入满量程电压，用于实现ADC满量程校准。当A/D转换器的同相输入端接模拟输入引脚AIN0.0，反相输入端接模拟输入引脚AIN0.1时，用于实现对ADC的正常工作。

所述的热电阻阻值的在线校准指的是利用标准电阻箱代替热电阻，先将电阻箱阻值设定为测量量程的最小值，然后计算测量值与标准值之间的误差E₁存入ROM；然后将电阻箱阻值设定为测量量程的最大值，程序中延迟12s后计算测量值与标准值之间的误差E₂存入ROM；在后续的程序中利用下式来实现热电阻电阻测量值的校准：

{Rx}_{1} = Rx + \frac{E_{2} - E_{1}}{R_{\max} - R_{\min}} (R_{\max} - Rx) + E_{2}

其中R_x为热电阻测量值，R_max为测量量程中最大的电阻值，R_min为测量量程中最小的电阻值。

所述的热电阻的线性化技术指的是先用温度值与热电阻阻值的计算得到温度近似值，再通过查询热电阻分度表，用线性插值法得到精确温度值；所述的热电阻分度表其表中地址为温度值，表中的数据为100倍的电阻值；每组数据占两个字节存储空间。表中存有测量量程范围内每隔1℃的温度值。

基于环境温度的补偿技术指的是利用片内温度传感器测出环境温度后，根据环境温度对电阻芯片等影响的大小进行补偿。

进一步，所述的将温度值转化成与输出串口相对应的数字量指的是：通过SPI接口输出给电流变送模块时，输出数字根据测温范围进行转换，最小的温度值对应数字量0x0000，最大的温度值对应数字量0xffff，通过温度值与数字量之间的线性关系计算得到；通过异步串行口输出给HART接口时，则将温度值乘以100后转化成的两个字节的16进制数。

本发明的有益效果主要表现在：1）本发明热电阻温度变送器设计方案简单、成本低、集成度高。2）热电阻阻值的在线校准有效消除了由电阻桥上固定电阻阻值的容差和离散性带来的测量误差。3）采用热电阻的线性化技术测温精度高，有效解决了温度线性化问题。4）基于环境温度的补偿技术能消除环境温度给温度测量带来的影响。5）温度变送器具有HART协议接口，实现了数字通信，避免了使用模拟信号传输引起的误差。

（四）附图说明

图1是本发明热电阻温度变送器总框图。

图2是本发明电阻桥原理图。

图3是本发明主程序流程图。

（五）具体的实施方案

结合附图，下面对本发明进行详细描述。

参照附图1，热电阻温度变送器主要由信号调理模块、计算模块、电流变送模块、HART接口组成；

信号调理模块包括作为测温传感器的热电阻、将热电阻阻值转化为差分电压的电阻桥、模拟输入引脚、可编程放大器及24位Σ-Δ型ADC，差分电压经过放大及A/D转换送入计算模块中。

计算模块由三个计算器及一个ROM组成；第一计算器1根据A/D转换结果计算得到热电阻的阻值并进行热电阻阻值的在线校准；第二计算器2根据热电阻的阻值采用热电阻的线性化技术计算得到精确的温度值，ROM中存储有热电阻分度表；第三计算器3利用基于环境温度的补偿技术，补偿温度计算值，并且将温度值转化成相应的数字量后通过SPI接口串行输出给电流变送模块转换成电流输出，通过异步串行口UART输出给HART接口，转换成HART信号输出；

系统的电源由4～20mA的电流环提供，电流变送模块输出电压VCC用于其他电路的工作。计算器及ADC的时钟由HART接口提供。

如附图2所示，电阻桥由热电阻与固定电阻R1、R2、R3构成，电阻桥的两路输出并一个电容后分别连接模拟输入引脚AIN0.0和AIN0.1。热电阻的一端与模拟输入引脚AIN0.2接模拟地。

如图3所示，所述的热电阻阻值的在线校准指的是利用标准电阻箱代替热电阻，先将电阻箱阻值设定为测量量程的最小值，然后计算测量值与标准值之间的误差E₁存入ROM；然后将电阻箱阻值设定为测量量程的最大值，程序中延迟12s后计算测量值与标准值之间的误差E₂存入ROM；在后续的程序中利用下式来实现热电阻电阻测量值的校准：

{Rx}_{1} = Rx + \frac{E_{2} - E_{1}}{R_{\max} - R_{\min}} (R_{\max} - Rx) + E_{2}

如图3所示，所述的热电阻的线性化技术指的是先用温度值与热电阻阻值的计算得到温度近似值，再通过查询热电阻分度表，用线性插值法得到精确温度值；所述的热电阻分度表，其表中地址为温度值，表中的数据为100倍的电阻值；每组数据占两个字节存储空间。表中存有测量量程范围内每隔1℃的温度值。

如图3所示，基于环境温度的补偿技术指的是利用片内温度传感器测出环境温度后，根据环境温度对电阻芯片等影响的大小进行补偿。

如图3所示，测得温度精度值后将温度值转化成与输出串口相对应的数字量。数字量通过写电流变送模块转换成电流输出，通过调用HART通信程序转换成HART信号输出，实现温度模拟信号及数字信号的传输。

所述的与输出串口相对应的数字量指的是：通过SPI接口输出给电流变送模块时，输出数字根据测温范围进行转换，最小的温度值对应数字量0x0000，最大的温度值对应数字量0xffff，通过温度值与数字量之间的线性关系计算得到；通过异步串行口输出给HART接口时，则将温度值乘以100后转化成的两个字节的16进制数。

Claims

1.热电阻温度变送器，主要由信号调理模块、计算模块、电流变送模块、HART接口组成；

2.如权利要求1所述的热电阻温度变送器，其特征在于：所述的电阻桥由热电阻与固定电阻R1、R2、R3构成，电阻桥的两路输出并一个电容后分别连接模拟输入引脚AIN0.0和AIN0.1；热电阻的一端与模拟输入引脚AIN0.2接模拟地；

当A/D转换器的同相输入端和反相输入端都接模拟输入引脚AIN0.1时，相当于差模电压为0V，用于ADC的偏移量校准；当A/D转换器的同相输入端接模拟输入引脚AIN0.1，反相输入端接模拟输入引脚AIN0.2时，相当于输入满量程电压，用于实现ADC满量程校准；当A/D转换器的同相输入端接模拟输入引脚AIN0.0，反相输入端接模拟输入引脚AIN0.1时，用于实现对ADC的正常工作。

3.如权利要求1所述的热电阻温度变送器，其特征在于：所述的热电阻阻值的在线校准指的是利用标准电阻箱代替热电阻，先将电阻箱阻值设定为测量量程的最小值，然后计算测量值与标准值之间的误差E₁存入ROM；然后将电阻箱阻值设定为测量量程的最大值，程序中延迟12s后计算测量值与标准值之间的误差E₂存入ROM；在后续的程序中利用下式来实现热电阻电阻测量值的校准：

{Rx}_{1} = R x + \frac{E_{2} - E_{1}}{R_{m a x} - R_{m i n}} \times (R_{m a x} - R x) + E_{2}

4.如权利要求1所述的热电阻温度变送器，其特征在于：所述的热电阻的线性化技术指的是先用温度值与热电阻阻值的计算得到温度近似值，再通过查询热电阻分度表，用线性插值法得到精确温度值；所述的热电阻分度表其表中地址为温度值，表中的数据为100倍的电阻值；每组数据占两个字节存储空间；表中存有测量量程范围内每隔1℃的温度值。

5.如权利要求1所述的热电阻温度变送器，其特征在于：基于环境温度的补偿技术指的是利用片内温度传感器测出环境温度后，根据环境温度对电阻芯片影响的大小进行补偿。

6.如权利要求1所述的热电阻温度变送器，其特征在于：所述的将温度值转化成相对应的数字量指的是：通过SPI接口输出给电流变送模块时，输出数字根据测温范围进行转换，最小的温度值对应数字量0x0000，最大的温度值对应数字量0xffff，通过温度值与数字量之间的线性关系计算得到；通过异步串行口输出给HART接口时，则将温度值乘以100后转化成的两个字节的16进制数。