CN113899461A - 一种智能温度变送器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能温度变送器及测量方法，包括：恒流源发生电路，通过信号和激励切换电路输出恒流激励至传感器，以向所述传感器供电；信号和激励切换电路，根据单片机发送的模式切换指令确定运行模式；根据传感器输出的感应信号获取差分电压模拟信号；模数转换电路，对差分电压模拟信号进行模数转换，获取差分电压数字信号；单片机，根据差分电压数字信号，获取第一温度、电阻和/或电压数据；变送输出电路，用于将第一温度、电阻和/或电压数据转换为标准信号。本发明支持各种热电偶传感器、差分电压信号、2线制、3线制和4线制的热电阻传感器或电阻，同时支持传感器故障自诊断、故障后降效运行和故障指示功能。

Description

一种智能温度变送器及测量方法

技术领域

本发明涉及工业仪器仪表技术领域，并且更具体地，涉及一种智能温度变送器及测量方法。

背景技术

变送器是将传感器的输出信号转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于工业过程测量和控制。其中温度变送器是最常用的变送器之一，有广泛的使用场合和市场需求。

现有的温度变送器有以下几个问题：①难以做到全部传感器的输入兼容，尤其不支持兼容热电阻的4线制测量。②不具备传感器的故障诊断或者对故障诊断功能弱，不支持故障发生变送器降效运行。③不具备故障指示功能，变送器发生故障的时候，排查故障复杂。④整机的功耗高，耗电大，难以支持NE43标准。⑤热电偶冷端补偿大都采用二极管模拟补偿，补偿精度低，稳定性差。⑥不支持在线电流测量，现场检查不方便。⑦变送器测量精度低，环境温度对精度影响大，抗干扰性能差。

发明内容

本发明提出一种智能温度变送器及测量方法，以解决如何高效准确地对传感器进行测量的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种智能温度变送器的设计方案，所述温度变送器包括：传感器信号测量装置和变送输出电路，所述传感器信号测量装置包括：恒流源发生电路、信号和激励切换电路、模数转换电路和单片机；其中，

所述恒流源发生电路，与所述信号和激励切换电路相连接，用于通过所述信号和激励切换电路输出恒流激励至传感器，以向所述传感器供电；

所述信号和激励切换电路，分别与传感器、模数转换电路和单片机相连接，用于根据单片机发送的模式切换指令确定运行模式；用于根据所述传感器输出的感应信号，获取差分电压模拟信号；

所述模数转换电路，与所述单片机相连接，用于对所述差分电压模拟信号进行模数转换，以获取差分电压数字信号；

所述单片机，与所述变送输出电路相连接，用于发送所述模式切换指令至所述信号和激励切换电流；用于根据所述差分电压数字信号，获取第一温度、电阻和/或电压数据；

所述变送输出电路，用于将所述第一温度、电阻和/或电压数据转换为预设类型的标准信号。

优选地，其中所述温度变送器，还包括：

环境温度测量电路，与所述单片机相连接，用于对环境温度进行测量，以获取第二温度；

单片机，用于当传感器为热电偶时，根据预设的差分电压数字信号和热电势之间的转换关系，将所述差分电压数字信号转换为第一热电势；根据预设的温度和热电势之间的转换关系，将所述第二温度转换成第二热电势；根据所述第一热电势和二热电势之和确定热电偶冷端补偿后的第三热电势；根据预设的热电势和温度之间的转换关系，将所述第三热电势转换为温度，以获取经过修正的第一温度并输出；或

当传感器为热电偶时，根据预设的差分电压数字信号和热电势之间的转换关系，将所述差分电压数字信号转换为第一热电势，根据所述第一热电势和温度的关系，将所述第一热电势转换为温度，以获取经过修正的第一温度并输出。

优选地，其中所述信号和激励切换电路，包括：双路四通道模拟复用器、用于与传感器相连接的第一端子、第二端子、第三端子和第四端子、用于进行通道切换的第一控制管脚和第二控制管脚、激励的灌电流端、激励的吸电流端、输出所述差分电压模拟信号的差分正输出端、差分负输出端、上拉电阻和下拉电阻；

其中，所述上拉电阻分别与所述差分正输出端以及所述信号和激励切换电路的电源端相连接，所述下拉电阻分别与所述差分负输出端以及所述信号和激励切换电路的接地端相连接。

优选地，其中所述信号和激励切换电路，还用于：

接收单片机通过IO端口输出的高低电平切换差分信号和激励到不同的端子上，以实现所述信号和激励切换电路运行模式的切换，包括：控制所述双路四通道模拟复用器的通道控制端将第一端子、第二端子、第三端子和第四端子上的输出信号切换到差分电压模拟信号的差分负输出端，控制所述双路四通道模拟复用器的通道控制端将所述灌电流端切换到第一端子、第二端子、第三端子和第四端子上。

优选地，其中

当信号和激励切换电路处于第一运行模式时，所述第一控制管脚为低电平，所述第二控制管脚为低电平，灌电流端与所述第三端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第三端子相连接；

当信号和激励切换电路处于第二运行模式时，所述第一控制管脚为高电平，所述第二控制管脚为低电平，灌电流端与所述第一端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第四端子相连接；

当信号和激励切换电路处于第三运行模式时，所述第一控制管脚为低电平，所述第二控制管脚为高电平，灌电流端与所述第二端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第三端子相连接；

当信号和激励切换电路处于第四运行模式时，调整所述第一控制管脚为高电平，所述第二控制管脚为高电平，灌电流端与所述第二端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第四端子相连接。

优选地，其中所述单片机，还用于：

当所述传感器的类型为热电偶或差分电压时，热电偶或差分电压的正极与所述第二端子相连接，热电偶的负极与所述第三端子相连接，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第一运行模式，以进行信号测量；

当所述传感器的类型为4线制热电阻或4线制电阻时，4线制热电阻或4线制电阻的一对同极性线缆连接到所述第一端子和第二端子上，另一对同极性线缆连接到所述第三端子和第四端子上，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第二运行模式，以进行信号测量；

当所述传感器的类型为2线制热电阻或2线制电阻时，2线制热电阻或2线制电阻的两根线缆分别连接到所述第一端子和第二端子上，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第三运行模式，以进行信号测量；

当所述传感器的类型为3线制热电阻或3线制电阻时，3线制热电阻或3线制电阻同极性的两根线缆分别连接到所述第二端子和第三端子上，另一根单独极性的线缆拦截所述第四端子上，并通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路重复在第四运行模式和第三运行模式之间切换，以进行信号测量。

优选地，其中所述单片机，还用于：

根据所述差分电压数字信号，按照预设判断规则，确定温度变送器的故障类型和故障原因；其中，故障类型包括：严重故障和轻微故障；

其中，当传感器的类型为热电偶或差分电压，且处于第一运行模式时，根据所述差分电压数字信号确定电压实际值，并当所述电压实际值大于预设电压上限阈值或小于预设电压下限阈值时，确定故障类型为严重故障；

当所述传感器的类型为2线制热电阻或2线制电阻，且处于第三运行模式时，根据所述差分电压数字信号确定第一电阻，并当所述第一预设电阻大于第一预设电阻上限阈值或小于第一预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障；

当所述传感器的类型为3线制热电阻或3线制电阻，且处于第四运行模式时，根据所述差分数字信号确定第二电阻，并当所述第二电阻大于第二预设电阻上限阈值或小于第二预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第三运行模式，并根据处于第三运行模式时的差分数字信号确定第三电阻，并当所述第三电阻小于等于第三预设电阻上限阈值且大于等于第三预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第一轻微故障；当所述第三电阻大于第三预设电阻上限阈值或小于第三预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障；

当所述传感器的类型为4线制热电阻或4线制电阻，且处于第二运行模式时，根据所述差分数字信号确定第四电阻，并当所述第四电阻大于第四预设电阻上限阈值或小于第四预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第四运行模式，并根据处于第四运行模式时的差分数字信号确定第五电阻，并当所述第五电阻小于等于第五预设电阻上限阈值且大于等于第五预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第二轻微故障；当所述第五电阻大于第五预设电阻上限阈值或小于第五预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第三运行模式，并根据处于第三运行模式时的差分数字信号确定第六电阻，并当所述第六电阻小于等于第六预设电阻上限阈值且大于等于第六预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第三轻微故障；当所述第六电阻大于第六预设电阻上限阈值或小于第六预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障。

优选地，其中所述单片机，还用于：

根据故障类型按照预设控制规则，发送控制指令至故障指示设备，以使得所述故障指示灯根据所述控制指令进行告警，同时指示故障等级；

当故障类型为第一轻微故障、第二轻微故障或第三轻微故障时，根据故障类型和预设降效运行规则，确定降效运行方式，并控制所述信号和激励切换电路按照所述降效运行方式运行；以及当温度变送器处于故障状态的运行时间达到预设时间阈值时，根据传感器类型调整至故障前的运行模式，并再次按照预设判断规则，确定温度变送器的故障类型和故障原因；

其中，所述降效运行规则包括：当故障类型为第一轻微故障时，确定降效运行方式为按照第三运行模式运行；

当故障类型为第二轻微故障时，确定降效运行方式为按照3线制热电阻或3线制电阻正常测量的运行模式运行；

当故障类型为第三轻微故障时，确定降效运行方式为按照第三运行模式运行。

根据本发明的另一个方面，提供了一种传感器信号测量装置，所述传感器信号测量装置包括：恒流源发生电路、信号和激励切换电路、模数转换电路和单片机；其中，

所述恒流源发生电路，与所述信号和激励切换电路相连接，用于通过所述信号和激励切换电路输出恒流激励至传感器，以向所述传感器供电；

所述信号和激励切换电路，分别与传感器、模数转换电路和单片机相连接，用于根据单片机发送的模式切换指令确定运行模式；用于根据所述传感器输出的感应信号，获取差分电压模拟信号；

所述模数转换电路，与所述单片机相连接，用于对所述差分电压模拟信号进行模数转换，以获取差分电压数字信号；

所述单片机，与所述变送输出电路相连接，用于发送所述模式切换指令至所述信号和激励切换电流；用于根据所述差分电压数字信号，获取第一温度、电阻和/或电压数据。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于如上所述智能温度变送器的测量方法，所述方法包括：

单片机发送模式切换指令至信号和激励切换电路，以使得所述信号和激励切换电路根据所述模式切换指令确定运行模式；

恒流源发生电路输出恒流激励至传感器，以向所述传感器供电；

信号和激励切换电路根据所述传感器输出的感应信号，获取差分电压模拟信号；

模数转换电路对所述差分电压模拟信号进行模数转换，以获取差分电压数字信号；

单片机根据所述差分电压数字信号，获取第一温度、电阻和/或电压数据；

变送输出电路将所述第一温度、电阻和/或电压数据转换为预设类型的标准信号。

本发明提供了一种智能温度变送器及测量方法，所述温度变送器，包括：恒流源发生电路、信号和激励切换电路、模数转换电路、单片机和变送输出电路，本发明的智能温度变送器能够准确地对不同类型传感器的感应信号进行测量，并转化为4-20mA的电流信号输出；对于热电阻或电阻的测量，支持2线制、3线制和4线制三种接线方式的兼容，尤其是对热电阻4线制的支持，提高了温度测量的精度，拓宽了变送器的使用场景，同时支持传感器故障自诊断、故障后降效运行和故障指示功能，操作便捷使用方便。本发明还提供了一种传感器信号测量装置，能够实现确地能够对不同类型传感器的感应信号进行测量，支持2线制、3线制和4线制三种接线方式的兼容，尤其是对热电阻4线制的支持，提高了温度测量的精度，拓宽了变送器的使用场景。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的智能温度变送器100的结构示意图；

图2为根据本发明实施方式的智能温度变送器的示例图；

图3为根据本发明实施方式的恒流源发生电路的示意图；

图4为根据本发明实施方式的信号和激励切换电路的示意图；

图5为根据本发明实施方式的模数转换电路的示意图；

图6为根据本发明实施方式的单片机的示意图；

图7为根据本发明实施方式的变送输出电路的示意图；

图8为根据本发明实施方式的通信接口的电路示意图；

图9为根据本发明实施方式的保护电路的示意图；

图10为根据本发明实施方式的传感器信号测量装置1000的结构示意图；

图11为根据本发明实施方式的智能温度变送器的测量方法1100的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的智能温度变送器100的结构示意图。如图1所示，本发明实施方式提供的智能温度变送器100，包括：传感器信号测量装置101和变送输出电路102，所述传感器信号测量装置101包括：恒流源发生电路1011、信号和激励切换电路1012、模数转换电路1013和单片机1014。

优选地，其中所述恒流源发生电路1011，与所述信号和激励切换电路相连接，用于通过所述信号和激励切换电路输出恒流激励至传感器，以向所述传感器供电。

结合图2所示，本发明实施方式中，温度变送器，包括：单片机、用于热电阻测量的恒流源发生电路、用于实现多传感器兼容的信号和激励切换电路、用于进行传感器信号模拟数字转换的模数转换电路和实现变送输出的变送输出电路。其中，传感器包括：Pt100热电阻，Pt500热电阻，Cu100热电阻，Cu50热电阻，纯电阻信号，铂铑10-铂热电偶(S型)，铂铑13-铂热电偶(R型)，镍铬-镍硅热电偶(K型)，镍铬硅-镍硅热电偶(N型)，镍铬-康铜热电偶(E型)，铁-康铜热电偶(J型)，铜-康铜热电偶(T型)，铂铑30-铂铑6(B型)，差分电压信号，并可以对特殊型号的热电阻或热电偶提供非标的调整与校准。

在本发明的实施方式中，利用恒流源发生电路给传感器测量提供驱动，恒流源发生电流输出恒流激励至传感器，以向所述传感器供电。为了保证热电阻测量的精度，恒流源的电流稳定性至关重要。在本发明的实施例中，采用如图3所示的恒流源发生电路，所述恒流源发生电路采用LMV321低功耗放大器实现，该放大器具有很低的功耗，正常工作条件下只需要＜110uA的电流，特别适用功耗受限的2线制变送器。恒流源发生电路的参考输入使用参考基准电路输出的3.0V的基准电压经过R7和R9分压获得，两个电阻分压获得的信号为0.6V的电压信号，该信号通过电容C2滤波后连接到LMV321的正向输入端，作为恒流源发生电路的给定信号。LMV321的输出作为恒流源的输出端，用来驱动被测热电阻，由于放大器采用3.3V供电并且放大器属于轨对轨输出，这意味着恒流源最大的电压输出摆幅度可以达到3.3V。经由热电阻返回的电流经过参考电阻R6形成反馈电压，该反馈电压经过电容C21滤波后，返回连接到LMV321的负向输入端，形成恒流源的闭环反馈控制。上述电路中，分压电阻R7和R9属于产生给定电压的关键器件，反馈电阻R6属于深度负反馈的取样参考电阻。这三颗电阻的时间稳定性和温度稳定性决了恒流源的稳定性。因此本方案使用的这三颗电阻都是温漂小于等于±25PPM/℃的金属膜电阻或者薄膜电阻。

优选地，其中所述信号和激励切换电路1012，分别与传感器、模数转换电路和单片机相连接，用于根据单片机发送的模式切换指令确定运行模式；用于根据所述传感器输出的感应信号，获取差分电压模拟信号。

优选地，其中所述信号和激励切换电路1012，包括：双路四通道模拟复用器、用于与传感器相连接的第一端子、第二端子、第三端子和第四端子、用于进行通道切换的第一控制管脚和第二控制管脚、激励的灌电流端、激励的吸电流端、输出所述差分电压模拟信号的差分正输出端、差分负输出端、上拉电阻和下拉电阻；

其中，所述上拉电阻分别与所述差分正输出端以及所述信号和激励切换电路的电源端相连接，所述下拉电阻分别与所述差分负输出端以及所述信号和激励切换电路的接地端相连接。

优选地，其中所述信号和激励切换电路1012，还用于：

接收单片机通过IO端口输出的高低电平切换差分信号和激励到不同的端子上，以实现所述信号和激励切换电路运行模式的切换，包括：控制所述双路四通道模拟复用器的通道控制端将第一端子、第二端子、第三端子和第四端子上的输出信号切换到差分电压模拟信号的差分负输出端，控制所述双路四通道模拟复用器的通道控制端将所述灌电流端切换到第一端子、第二端子、第三端子和第四端子上。

优选地，其中

当信号和激励切换电路处于第一运行模式时，所述第一控制管脚为低电平，所述第二控制管脚为低电平，灌电流端与所述第三端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第三端子相连接；

当信号和激励切换电路处于第二运行模式时，所述第一控制管脚为高电平，所述第二控制管脚为低电平，灌电流端与所述第一端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第四端子相连接；

当信号和激励切换电路处于第三运行模式时，所述第一控制管脚为低电平，所述第二控制管脚为高电平，灌电流端与所述第二端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第三端子相连接；

当信号和激励切换电路处于第四运行模式时，调整所述第一控制管脚为高电平，所述第二控制管脚为高电平，灌电流端与所述第二端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第四端子相连接。

在本发明的实施方式中，通过激励和信号的切换电路，在兼容热电偶测量的同时实现对热电阻的2线制、3线制和4线制的测量。电路可以在单片机程序的控制下，自由根据传感器类型进行运行模式的切换。如图4所示，电路的核心是双路四通道模拟复用器RS2252(相似型号为CD4052)，该芯片通过切换激励源和测量端连接来实现不同传感器的测量。其中，P1、P2、P3和P4是外部连接传感器的第一端子、第二端子、第三端子和第四端子；CS_A和CS_B是RS2252的第一控制管脚和第二控制管脚；可以通过单片机的IO口输出高低电平来切换信号和激励到不同的端子上去。AN和AP是经过切换的传感器两个差分电压信号输出端，AN是差分负输出端，AP是差分正输出端，输出信号会送到数模转换电路进行数据的采集处理。通过控制模拟复用器RS2252的通道控制端可以将P1、P2、P3和P4上的信号切换到差分负输出端AN上去，差分正输出端AP始终被固定在P2端子上。I+和I-是没经过切换的供给传感器的激励电流源，I+是激励的灌电流端，I-是传感器激励的吸电流端，激励电流由恒流源发生电路产生。通过控制模拟复用器RS2252的通道控制端可以将恒流激励灌电流端I+切换P1、P2、P3和P4上去，恒流激励吸电流端始终被固定在P3端子上。模拟复用器RS2252的通道控制端根据单片机的控制指令实现恒流激励电流端I+和差分负输出端AN切换到对应的端子，以改变激励和信号切换电路的运行模式，实现对不同类型传感器的测量。其中，不同运行模式下的CS_A信号、CS_B信号、灌电流端I+连接端子和差分负输出端AN连接端子的对应关系如表1所示。

表1不同运行模式下的对应关系表

在本发明的实施方式中，在信号和激励的切换电路的传感器的信号通路上，即数字模拟转换输入信号通路的差分正极信号线上设置上拉电阻，在差分负极信号线上设置下拉电阻(AP上设置上拉电阻R19，AN上设置下拉电阻R3)。为了避免电阻对正常被测有效信号的干扰，两个电阻的阻值被设置的尽可能大。本设计的上拉和下拉电阻都选用了10兆欧姆阻值，也可以选择更大的电阻。通过增加上拉和下拉电阻，可以在信号通路处于短路的情况下，使数模转换器的默认状态设置成满量程或者超量程输入，从而产生一个较大的转换结果。信号和激励的切换电路能够为实现故障检查和轻微故障后的降效运行提供物理实现基础，是故障诊断功能不可或缺的一部分。在故障诊断过程中，需要不断的切换热电阻的接线方式来分析故障的类型；当发现故障的时候也依赖切换信号和激励的通道来实现变送器的降效运行。

优选地，其中所述模数转换电路1013，与所述单片机相连接，用于对所述差分电压模拟信号进行模数转换，以获取差分电压数字信号。

在本发明的实施方式中，通过模数转换电路对差分电压模拟信号进行模数转换，以获取差分电压数字信号。如图5所示，本发明实施方式的数模转换电路采用芯海半导体出品的CS1237(相类似的还有CMS1237)高精度、低功耗模数转换芯片实现。芯片不仅支持24bit无失码数模转换，还内置PGA放大倍数可选1、2、64、128的差分放大器，在实现信号高精度测量的同时避免了单独搭建外部信号放大电路。具体实现过程为：由外部传感器传来的微弱信号先经过R4和R5以及C8，C9和C10构成的低通滤波网络直接进入到CS1237的差分电压信号输入端AINP和AINN进行模拟信号到数字信号的转换，转换后的数字信号经过CS1237的DOUT和SCLK传输到单片机中进行运算处理。

优选地，其中所述单片机1014，与所述变送输出电路相连接，用于发送所述模式切换指令至所述信号和激励切换电流；用于根据所述差分电压数字信号，获取第一温度、电阻和/或电压数据。

优选地，其中所述单片机，还用于：

当所述传感器的类型为热电偶或差分电压时，热电偶或差分电压的正极与所述第二端子相连接，热电偶的负极与所述第三端子相连接，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第一运行模式，以进行信号测量；

当所述传感器的类型为4线制热电阻或4线制电阻时，4线制热电阻或4线制电阻的一对同极性线缆连接到所述第一端子和第二端子上，另一对同极性线缆连接到所述第三端子和第四端子上，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第二运行模式，以进行信号测量；

当所述传感器的类型为2线制热电阻或2线制电阻时，2线制热电阻或2线制电阻的两根线缆分别连接到所述第一端子和第二端子上，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第三运行模式，以进行信号测量；

当所述传感器的类型为3线制热电阻或3线制电阻时，3线制热电阻或3线制电阻同极性的两根线缆分别连接到所述第二端子和第三端子上，另一根单独极性的线缆拦截所述第四端子上，并通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路重复在第四运行模式和第三运行模式之间切换，以进行信号测量。

在本发明的实施例中，单片机能够根据传感器的类型发送相应的模式切换指令至信号和激励切换电路，以实现不同运行模式的切换。具体地，当所述传感器的类型为热电偶或差分电压时，热电偶或差分电压的正极与P2相连接，热电偶的负极与P3相连接，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第一运行模式，以进行信号测量；当所述传感器的类型为4线制热电阻或4线制电阻时，4线制热电阻或4线制电阻的一对同极性线缆连接到P1和P2上，另一对同极性线缆连接到P3和P4上，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第二运行模式，以进行信号测量；当所述传感器的类型为2线制热电阻或2线制电阻时，2线制热电阻或2线制电阻的两根线缆分别连接到P1和P2上，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第三运行模式，以进行信号测量；当所述传感器的类型为3线制热电阻或3线制电阻时，3线制热电阻或3线制电阻同极性的两根线缆分别连接到P2和P3上，另一根单独极性的线缆连接所述P4上，并通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路重复在第四运行模式和第三运行模式之间切换，以进行信号测量。

基于以上的模式切换可以实现不同传感器的不同接线方式测量的过程如下：

(1)热电偶或差分电压的测量：固定在模式1。

热电偶或差分电压接线方式为：热电偶正极接在P2端子上，负极接在P3端子上。

具体信号和激励的通路为：P2为信号测量，不经过切换直接连接到AP信号。P3为信号测量的负端，经过RS2252的X0到X端连接到AN信号。激励电流经过切换从RS2252的Y端口流入，Y0端口流出，经过电阻R22返回。激励电流在端子P3上为热电偶提供一个稳定的负端测量基准。所有类型的热电偶都经过该电路测量，通过存储在单片机的热电偶系数实现测量信号和温度之间的换算。如果是测量差分模拟电压则不需要进行电压到温度的转换，直接输出电压信号。

(2)4线制热电阻或电阻测量：固定在模式2。

4线热电阻或电阻的接线方式为：热电阻的一对同极性线缆连接到P1和P2端子上，另外一对同极性的线缆连接到P3和P4。

具体信号和激励的通路为：P2为信号测量的正端，不经过切换直接连接到AP信号。P4为信号测量的负端，经过RS2252的X1到连接到AN信号。激励电流I+经过切换从Y到Y1连接到P1端子，经过热电阻从P3端子返回不经过切换直接回到I-。4线制测量提供最高的测量精度，上述电路实现了测量回路和激励回路的完全分离。使得热电阻的测量不受导线电阻的影响。获得了热电阻阻值后，通过单片机执行计算既可以完成4线制热电阻的测量。如果是测量纯电阻则不需要进行电压到温度的转换，直接输出电阻信号。

(3)2线制热电阻或电阻测量：固定在模式3。

2线热电阻或电阻的接线方式为：热电阻两根线缆接在的P1和P2端子上。

具体信号和激励的通路为：P2为信号测量的正端，不经过切换直接连接到AP信号。P3为信号测量的负端，经过RS2252的X2到X端连接到AN信号。激励电流I+经过切换从Y到Y2连接到P2端子，经过热电阻从P3端子返回不经过切换直接回到I-。热电阻的2线制的测试会受到导线电阻的影响，不宜测量有过长导线的热电阻。但是其只有两个接线可以保证测量的可靠性。获得了热电阻阻值后，通过单片机执行计算既可以完成2线制热电阻的测量。如果是测量纯电阻则不需要进行电压到温度的转换，直接输出电阻信号。

(4)3线制热电阻或电阻的测量：在模式4和模式3之间来回切换。

3线热电阻或电阻的接线方式为：热电阻同极性的两根线分别连接在P2和P3端子上。另外一根单独的极性连接在P4上。

3线制的测量分为两个步骤，为了描述方便，我们假定被测热电阻的阻值为RT，导线电阻的阻值为RL。第1步：控制RS2252切换到模式4，测量热电阻加1根导线的阻抗即RT+RL。具体信号和激励的通路为：P2为信号测量的正端，不经过切换直接连接到AP信号。P4为信号测量的负端，经过RS2252的X3到连接到AN信号。激励电流I+经过切换从Y到Y3连接到P2端子，经过热电阻从P3端子返回不经过切换直接回到I-。这样，经过P2端子既有激励电流也有信号测量的功能，所以接在上的导线阻抗会被计算在内。但是P4端子上只有测量信号，没有激励电流，所以没有导线阻抗影响。所以此时通过AN和AP的测量获得的是热电阻加一根导线阻抗的数据。

第2步：控制RS2252切换到模式3，测量热电阻加2根导线的阻抗即RT+2*RL。此时的具体信号和激励的通路与2线制热电阻测量相同。

在3线制热电阻计算的时候，将第1步测量的数据(RT+RL)的两倍减去2线制的数据(RT+2*RL)，就能够抵消所有的导线阻抗，从而避免导线阻抗对热电阻的影响。具体的计算公式如下，假定测量的阻值为RM：则RM＝2*(RT+RL)-(RT+2*RL)＝RL；从而测量的阻值RM就是热电阻的阻值，导线阻抗的误差被抵消。在变送器工作的时候，循环执行第1步和第2步，获得抵消了线缆电阻的热电阻阻值后，通过单片机执行计算既可以完成3线制热电阻的测量。如果是测量纯电阻则不需要进行电压到温度的转换，直接输出电阻信号。

当传感器为热电阻时，所述单片机能够根据标准的差分电压数字信号和电阻之间的转换关系，将获取的差分电压数字信号转换为电阻，再根据电阻和温度的关系，进行转换电阻到温度的转换，以获取第一温度并输出。

当传感器用于测电阻时，所述单片机还能够根据标准的差分电压数字信号和电阻之间的转换关系，将获取的差分电压数字信号转换为电阻数据并直接输出。

当传感器为热电偶时，所述单片机能够根据标准的差分电压数字信号和热电势之间的转换关系，将获取的差分电压数字信号转换为第一热电势。同时通过测量环境温度获得第二温度，根据标准的温度和热电势之间的转换关系，将第二温度转换成第二热电势。将第一热电势与二热电势相加获得热电偶冷端补偿后的第三热电势。再根据第三热电势和温度的关系，进行转换热电势到温度的转换，以获取经过修正后第一温度并输出。同时，还可以根据使用场景关闭热电偶的冷端补偿功能，根据第一热电势和温度的关系，直接进行转换热电势到温度的转换，以获取经过未经过修正的第一温度并输出。

当传感器用于测差分电压时，所述单片机还能够根据标准的差分电压数字信号和真实的差分模拟电压的转换关系，将获取的差分电压数字信号转换为真实的差分模拟电压数据并直接输出。

优选地，其中所述单片机，还用于：

根据所述差分电压数字信号，按照预设判断规则，确定温度变送器的故障类型和故障原因；其中，故障类型包括：严重故障和轻微故障；

其中，当传感器的类型为热电偶或差分电压，且处于第一运行模式时，根据所述差分电压数字信号确定电压实际值，并当所述电压实际值大于预设电压上限阈值或小于预设电压下限阈值时，确定故障类型为严重故障；

当所述传感器的类型为2线制热电阻或2线制电阻，且处于第三运行模式时，根据所述差分电压数字信号确定第一电阻，并当所述第一预设电阻大于第一预设电阻上限阈值或小于第一预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障；

当所述传感器的类型为3线制热电阻或3线制电阻，且处于第四运行模式时，根据所述差分数字信号确定第二电阻，并当所述第二电阻大于第二预设电阻上限阈值或小于第二预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第三运行模式，并根据处于第三运行模式时的差分数字信号确定第三电阻，并当所述第三电阻小于等于第三预设电阻上限阈值且大于等于第三预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第一轻微故障；当所述第三电阻大于第三预设电阻上限阈值或小于第三预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障；

当所述传感器的类型为4线制热电阻或4线制电阻，且处于第二运行模式时，根据所述差分数字信号确定第四电阻，并当所述第四电阻大于第四预设电阻上限阈值或小于第四预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第四运行模式，并根据处于第四运行模式时的差分数字信号确定第五电阻，并当所述第五电阻小于等于第五预设电阻上限阈值且大于等于第五预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第二轻微故障；当所述第五电阻大于第五预设电阻上限阈值或小于第五预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第三运行模式，并根据处于第三运行模式时的差分数字信号确定第六电阻，并当所述第六电阻小于等于第六预设电阻上限阈值且大于等于第六预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第三轻微故障；当所述第六电阻大于第六预设电阻上限阈值或小于第六预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障。

优选地，其中所述单片机，还用于：

根据故障类型按照预设控制规则，发送控制指令至故障指示设备，以使得所述故障指示灯根据所述控制指令进行告警，同时指示故障等级；

当故障类型为第一轻微故障、第二轻微故障或第三轻微故障时，根据故障类型和预设降效运行规则，确定降效运行方式，并控制所述信号和激励切换电路按照所述降效运行方式运行；以及当温度变送器处于故障状态的运行时间达到预设时间阈值时，根据传感器类型调整至故障前的运行模式，并再次按照预设判断规则，确定温度变送器的故障类型和故障原因；

其中，所述降效运行规则包括：当故障类型为第一轻微故障时，确定降效运行方式为按照第三运行模式运行；

当故障类型为第二轻微故障时，确定降效运行方式为按照3线制热电阻或3线制电阻正常测量的运行模式运行；

当故障类型为第三轻微故障时，确定降效运行方式为按照第三运行模式运行。

无论是变送器的初次部署阶段还是在控制系统运维阶段，变送器的故障诊断功能都可以帮助施工或运维人员快速定位故障问题。针对需求，本发明在温度变送器上设计了绿色故障指示灯，用户可以根据指示灯给出提示确定传感器故障。如果用户想要看到更加详细的信息，也可以使用配套组态软件，通过变送器的通信接口直接读取传感器的故障信息。另外当变送器连接的传感器发生轻微故障的同时，如果变送器能够调整自身的运行状态，无疑会进一步的增加系统的可靠性和稳定性。针对需求，本发明还实现了变送器出现故障时候的降效运行机制。能够保证系统即使在发生轻微故障的情况下，依然能够保证传感器输出信号。

本发明将传感器的故障分为两个等级，分别是严重故障和轻微故障，无论处于那种故障状态，均运行故障指示设备告知用户发生了故障，并告知用户发生的是严重故障还是轻微故障，故障指示设备可以是故障指示灯。下面是对这两种故障的定义。严重故障，是指传感器发生了影响其基本工作的故障，即温度测量功能全部丧失。此时变送器输出的不是测量信号而是报警电流，根据用户的设置可以输出≤3.6mA或者≥22mA的电流。严重故障模式下，单片机控制故障指示灯会快速闪烁。轻微故障，是指传感器发生的故障不会导致其测量功能的全部丧失，传感器会被切换到较差的测量模式下完成测量。此时变送器输出的还是测量信号，只不过其输出精度较正常工作状态差。轻微故障模式，单片机控制故障指示灯常亮短灭。若传感器正常工作，变送器会在用户设定的状态下运行，此时变送器输出用户期待精度的测量信号，单片机控制故障指示灯常亮，表示工作状态正常。

为了实现变送器对传感器的故障诊断和轻微故障降效运行，需要变送器的硬件和软件的共同配合来。在硬件上在信号和激励切换电路上设计了上拉电阻和下拉电阻。在软件上，根据不同类型的热电阻和热电偶的工作温度区间来设定用于确定故障的上限和下限。

具体地，当传感器的类型为热电偶或差分电压，且处于第一运行模式时，根据所述差分电压数字信号确定电压实际值，并当所述电压实际值大于预设电压上限阈值或小于预设电压下限阈值时，确定故障类型为严重故障。

当所述传感器的类型为2线制热电阻或2线制电阻，且处于第三运行模式时，根据所述差分电压数字信号确定第一电阻，并当所述第一预设电阻大于第一预设电阻上限阈值或小于第一预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障。

当所述传感器的类型为3线制热电阻或3线制电阻，且处于第四运行模式时，根据所述差分数字信号确定第二电阻，并当所述第二电阻大于第二预设电阻上限阈值或小于第二预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第三运行模式，并根据处于第三运行模式时的差分数字信号确定第三电阻，并当所述第三电阻小于等于第三预设电阻上限阈值且大于等于第三预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第一轻微故障；当所述第三电阻大于第三预设电阻上限阈值或小于第三预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障。

当所述传感器的类型为4线制热电阻或4线制电阻，且处于第二运行模式时，根据所述差分数字信号确定第四电阻，并当所述第四电阻大于第四预设电阻上限阈值或小于第四预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第四运行模式，并根据处于第四运行模式时的差分数字信号确定第五电阻，并当所述第五电阻小于等于第五预设电阻上限阈值且大于等于第五预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第二轻微故障；当所述第五电阻大于第五预设电阻上限阈值或小于第五预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第三运行模式，并根据处于第三运行模式时的差分数字信号确定第六电阻，并当所述第六电阻小于等于第六预设电阻上限阈值且大于等于第六预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第三轻微故障；当所述第六电阻大于第六预设电阻上限阈值或小于第六预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障。

在本发明的实施方式中，可以按照表1的方式来进行故障诊断。假定：实际测试热电阻阻值为RM，热电阻的下限报警阻值为RL，上限报警阻值为RH；实际测试热电偶电压为VM，热电偶的下限报警电压为VL，上限报警电压为VH。

表1故障类型判别表

在本发明的实施方式中，当变送器发现在配置的模式下工作有问题时，会自动切换到其他模式进行进一步的检查。如果用户配置的模式工作正常，则按照配置的模式正常工作。如果发生故障，一方面，单片机会根据故障类型按照预设控制规则，发送控制指令至故障指示灯，以使得所述故障指示灯根据所述控制指令进行告警，同时指示故障等级；并且通过通信接口将详细的故障信息发送出去。另一方面，单片机会确定降效运行方式，并控制所述信号和激励切换电路按照降效运行方式运行；同时，当处于故障状态的时候，无论是严重故障还是轻微故障。都会循环不断地尝试恢复正常运行模式。一旦正常模式运行成功就运行在正常模式下，并再次按照预设判断规则，确定温度变送器的故障类型和原因。如果正常模式运行失败，则返回原来的故障状态。具体地，在当温度变送器处于故障状态的运行时间达到预设时间阈值时，根据传感器类型调整至故障前的运行模式，并再次按照预设判断规则，确定温度变送器的故障类型和故障原因。

其中，所述降效运行规则包括：当故障类型为第一轻微故障时，确定降效运行方式为按照第三运行模式运行；当故障类型为第二轻微故障时，确定降效运行方式为按照3线制热电阻或3线制电阻正常测量的运行模式运行；当故障类型为第三轻微故障时，确定降效运行方式为按照第三运行模式运行。

如表1所示，当发生轻微故障1的时候，对3线制热电阻或3线制电阻测量的模式自动切换到按照2线制热电阻或2线制电阻测量的模式，并正常输出测量信号。当发生轻微故障2的时候，对4线制热电阻或4线制电阻测量的模式自动切换到按照3线制热电阻或3线制电阻测量的模式，并正常输出测量信号。当发生轻微故障3的时候，4线制热电阻或4线制电阻测量模式自动切换到按照2线制热电阻或2线制电阻测量模的式，并正常输出测量信号。

需要注意的是轻微故障也需要用户现场初装或定期维护的时候进行故障排除，以提高变送器的工作可靠性和测量精度。以上故障的识别和报警灯的输出，可以提高用户使用变送器的便利性，增强变送器工作的可靠性。对于施工和运维而言，有非常重要的价值。

单片机电路是数字信号处理的核心，如图6所示，采用STM8L151G4U6来实现。该单片机功耗低，封装小，在功耗和尺寸都受限的温度变送器中使用非常合适。另外该单片机还具有12bit的DAC外设，这对于后续的电流输出变送非常有用，可以大大的简化V/I输出电路的设计并提高电流输出的精度和响应时间。单片机的供电不是采用LDO输出的3.3V电源，而是使用了基准输出的3.0V的基准电压。这是因为考虑到DAC使用的基准是单片机的供电电压，这种电路设计可以最大程度的保证电流输出的精度和稳定性。单片机的供电经过C18滤波后，在经过C19退耦电容连接到单片机的VCC引脚。此外为了保证单片机可靠复位，使用R11和C16搭建了单片机的复位电路。

本发明的单片机一方面起控制作用，用来切换激励和信号的通路，控制指示灯的状态，输出模拟电压信号控制4-20mA电流输出；另一方面进行数据的采集工作，用来采集模数转换器的输出数据，采集环境温度测量的数据。其次就是对采集获得的信号进行加工处理，实现变送器信号的非线性校准，温度值的计算以及修正，系统状态的监控以及实现通信根据配置切换工作状态。此外，对传感器故障的监控分析和判断也是单片机进行逻辑出来来实现的。

在本发明的实施方式中，故障指示灯采用雾状的翠绿LED，指示灯采用3.3.V供电，经过限流电阻R2连接到单片机上。如果变送器处于正常工作状态，该指示灯保持常亮，告知用于变送器处于正常工作的状态。如果变送器处于严重故障状态，单片机控制该LED灯快速闪烁，告知用户变送器处于故障状态。如果变送器处于轻微故障状态，单片机控制该LED灯常亮断灭，告知用户变送器处于降效运行状态，虽然变送器可以正常输出信号，但是输出信号的精度较差。

优选地，其中所述变送输出电路102，用于将所述第一温度、电阻和/或电压数据转换为预设类型的标准信号。

在本发明的实施方式中，变送输出电路能够根据2线制4-20mA电流输出变送器的标准，采集外部传感器的信号，进行温度的计算，温度信息最终都会映射到4-20mA电流输出上去，输出标准信号，实现变送器信号远传。如图7所示，为实现变送器电流输出的V/I变换电路，单片机的数模转换器外设会把调制好的电压信号通过DAC引线发送出来。如上图所示，DAC信号会经过LMV321搭建的V/I变送电路将温度信号映射到4-20mA的标准信号。DAC的电压会经过R10和R14的分压作为给定连接到LMV321的正端输入。LMV321的输出经过R12电阻驱动BCX56 NPN三极管，来控制环路电路的输出。输出的环路电流经过R15取样被引入到LMV321的负端输出形成深度负反馈的电流输出。上述的分压电阻R10，R14处于给定回路，反馈电阻R15处于取样环节。这三颗电阻的特性对电流输出的精度和稳定性有决定性的作用。因此本发明选取了温漂小于等于±25PPM/℃的低温漂电阻。

优选地，其中所述温度变送器，还包括：

环境温度测量电路，与所述单片机相连接，用于对环境温度进行测量，以获取第二温度；

单片机，用于当传感器为热电偶时，根据预设的差分电压数字信号和热电势之间的转换关系，将所述差分电压数字信号转换为第一热电势；根据预设的温度和热电势之间的转换关系，将所述第二温度转换成第二热电势；根据所述第一热电势和二热电势之和确定热电偶冷端补偿后的第三热电势；根据预设的热电势和温度之间的转换关系，将所述第三热电势转换为温度，以获取经过修正的第一温度并输出；或

当传感器为热电偶时，根据预设的差分电压数字信号和热电势之间的转换关系，将所述差分电压数字信号转换为第一热电势，根据所述第一热电势和温度的关系，将所述第一热电势转换为温度，以获取经过修正的第一温度并输出。

在本发明的实施方式中，使用数字计算的方式对热电偶进行冷端补偿。电路采用NST1001数字温度芯片测量环境温度。纳芯微电子出品的片NST100是一款高精度双引脚数字脉冲输出温度传感器芯片。该芯片测温度范围–50℃至150℃，分辨率最高可达0.0625℃，全温区精度优于0.75℃，转换时间短，精度高。热电偶的冷端补偿实现如下：①通过NST1001获得变送器内部的环境温度值。②根据环境温度的值计算热电偶的补偿电动势。③将补偿温度电动势与热电偶测量获得的电动势相加获得补偿后的温度电动势。④根据补偿后的电动势结合单片机内部的热电偶计算系数计算热电偶上的真实温度值。

优选地，其中所述传感器信号测量装置，还包括：

通信接口，与所述单片机相连接，用于实现单片机和外接设备的交互；

电源和基准电路，包括电源子电路和基准子电路；其中，所述电源子电路与恒流源发生电路、信号与激励切换电路、模数转换电路、单片机、环境温度测量电路、故障指示灯和变送输出电路相连接，用于提供稳定的供电；基准子电路与恒流源发生电路、模数转换电路和变送输出电路相连接，用于提供基准电压信号；

保护电路，与外接电源、变送输出电路以及电源和基准电路相连接，用于对智能温度变送器的供电回路进行保护，并提供在线电流测量的功能。

如图2所示，所述温度变送器，还包括：通信接口、电源和基准电路、保护电路(图中未示出)。通信接口，与所述单片机相连接，用于实现单片机和外接设备的交互。电源和基准电路，包括电源子电路和基准子电路；其中，所述电源子电路与恒流源发生电路、信号与激励切换电路、模数转换电路、单片机、环境温度测量电路、故障指示灯和变送输出电路相连接，用于提供稳定的供电；基准子电路与恒流源发生电路、模数转换电路和变送输出电路相连接，用于提供基准电压信号。保护电路，与外接电源、变送输出电路以及电源和基准电路相连接，用于对智能温度变送器的供电回路进行保护，并提供在线电流测量的功能。

如图8所示，在本发明的实施方式中，通信接口使用标准的Mini-USB插座实现。单片机的UART线缆TX和RX线直接连接到USB插座的D+和D-数据线，外部可以直接通过TTL的串口实现变送的校准和参数修改。单片机的程序下载和DEBUG调试线缆直接连接到USB插座的Shielded管脚，可以通过外部下载器实现程序下载和调试。另外，单片机的复位引脚也被引出到USB的ID引脚，外部可以方便的实现单片机的复位重启。

在本发明的实施方式中，选用线性稳压器作为整个变送器的供电方案。基准电路则是给恒流源发生电路，模数转换电路和电流变送电路提供参考源的。电源电路采用线性稳压器HT7533来实现，该芯片的静态功耗低最低可达2.5uA。稳压器最高输入电压为30V，可以适应变送器DC24V的供电需求。稳压器输入输出侧各设置一个电容来滤除噪声。为了保证测量精度采用了专用的串联基准源来产生整个系统所需的基准源。本方案采用基准芯片REF3330来实现恒流基准。该基准芯片可以在-40-125℃条件下工作，全温区范围最大温漂小于30PPM/℃。电压基准源优异的温度稳定性和长期稳定性代表着温度变送器越小的温漂和时漂。变送器所有的基准包括恒流源发生电路，数模转换电路和电流输出变送电路(单片机的供电)，都该基准电路提供。这不仅能够降低成本，还能保证在基准源漂移的同时所有的电路漂移是相同方向的，进一步降低了变送器的整体漂移，保证了测量精度和环境稳定性。

如图9所示，为保护电路的示意图，P5是外部供电的正极端子，P6是负极端子。外部供电电源先经过安规高压电容C5，来防护瞬时的毛刺电压。然后经过TVS管D4，来防护瞬时脉冲或静电干扰。接着经过保险F1，防止后端负载故障导致电路损坏。再进过电感L1和L2进行电路内部EMI的滤除。经过防反接二极管D1保护后在进行C1的滤波进入变送器内部。本发明还专门为变送器在线无须拆卸的电流测量设计了专用测试接口，该接口使用齐纳稳压管D2来实现，在二极管两端引出测量端子T+和T-到外部。当进行测量环路电流的时候，只需要将电流表接触到测量端子T+和T-上，此时稳压管被短路，所有的电流都会流经测量电流表，实现在线电流测量。此外，电路还在所有的可以触摸和接触到的端子上布置了ESD静电浪涌防护二极管，详细的内容可以查看信号和激励的切换电路、通信接口。

本发明的温度变送器，具有以下优点：(1)实现了多传感器的输入兼容，尤其支持热电阻的4线制测量，提高了传感器的测量精度和使用场景。(2)该变送器具备健全的传感器的故障诊断功能，结合变送器的故障指示灯，可以大大的提高效率，帮助施工或运维人员快速定位故障问题。(3)变送器的轻微故障降效运行机制，使得变送器在发生轻微故的时候自动切换工作模式，保证变送器的有效信号输出。这提高了变送器的可靠性。(4)整机的功耗电流最小到达3.5mA，支持NE43标准。在除了指示灯的方式以外可以在输出电流上也给出报警。便于组态系统做故障控制。(5)纯数字热电偶冷端补偿补偿精度高，稳定性好，反应速度块。(6)支持在线电流测量，便于现场检查不方便。(7)变送器测量精度高，环境温度对精度影小，抗干扰性能好。通过实验测试表明：在抗电磁干扰方面：信号或电源2000V的群脉，输出信号温度+2℃，群脉撤销后恢复正常(PT100热电阻，量程设定0-100℃)。在抗环境变化方面：20到80℃升温温漂+0.05℃/10℃；20到-40℃降温温漂-0.1℃/10℃(PT100热电阻，量程设定0-100℃)。

图10为根据本发明实施方式的传感器信号测量装置1000的结构示意图。如图10所示，本发明实施方式提供的传感器信号测量装置1000，包括：恒流源发生电路1001、信号和激励切换电路1002、模数转换电路1003和单片机1004。

优选地，其中所述恒流源发生电路1001，与所述信号和激励切换电路相连接，用于通过所述信号和激励切换电路输出恒流激励至传感器，以向所述传感器供电。

优选地，其中所述信号和激励切换电路1002，分别与传感器、模数转换电路和单片机相连接，用于根据单片机发送的模式切换指令确定运行模式；用于根据所述传感器输出的感应信号，获取差分电压模拟信号。

优选地，其中所述模数转换电路1003，与所述单片机相连接，用于对所述差分电压模拟信号进行模数转换，以获取差分电压数字信号。

优选地，其中所述单片机1004，与所述变送输出电路相连接，用于发送所述模式切换指令至所述信号和激励切换电流；用于根据所述差分电压数字信号，获取第一温度、电阻和/或差分模拟电压数据。

本发明的实施例的传感器信号测量装置1000与本发明的另一个实施例的智能温度变送器100中的传感器信号测量装置101相对应，在此不再赘述。

图11为根据本发明实施方式的智能温度变送器的测量方法1100的流程图。如图11所示，本发明实施方式提供的基于智能温度变送器的测量方法1100，包括：

步骤1101，单片机发送模式切换指令至信号和激励切换电路，以使得所述信号和激励切换电路根据所述模式切换指令确定运行模式；

步骤1102，恒流源发生电路输出恒流激励至传感器，以向所述传感器供电；

步骤1103，信号和激励切换电路根据所述传感器输出的感应信号，获取差分电压模拟信号；

步骤1104，模数转换电路对所述差分电压模拟信号进行模数转换，以获取差分电压数字信号；

步骤1105，单片机根据所述差分电压数字信号，获取第一温度、电阻和/或差分模拟电压数据；

步骤1106，变送输出电路将所述第一温度、电阻和/或差分模拟电压数据转换为预设类型的标准信号。

本发明的实施例的智能温度变送器的测量方法1100与本发明的另一个实施例的智能温度变送器100相对应，在此不再赘述。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能温度变送器，其特征在于，所述温度变送器包括：传感器信号测量装置和变送输出电路，所述传感器信号测量装置包括：恒流源发生电路、信号和激励切换电路、模数转换电路和单片机；其中，

所述恒流源发生电路，与所述信号和激励切换电路相连接，用于通过所述信号和激励切换电路输出恒流激励至传感器，以向所述传感器供电；

所述信号和激励切换电路，分别与传感器、模数转换电路和单片机相连接，用于根据单片机发送的模式切换指令确定运行模式；用于根据所述传感器输出的感应信号，获取差分电压模拟信号；

所述模数转换电路，与所述单片机相连接，用于对所述差分电压模拟信号进行模数转换，以获取差分电压数字信号；

所述单片机，与所述变送输出电路相连接，用于发送所述模式切换指令至所述信号和激励切换电流；用于根据所述差分电压数字信号，获取第一温度、电阻和/或电压数据；

所述变送输出电路，用于将所述第一温度、电阻和/或电压数据转换为预设类型的标准信号。

2.根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于，所述温度变送器，还包括：

环境温度测量电路，与所述单片机相连接，用于对环境温度进行测量，以获取第二温度；

单片机，用于当传感器为热电偶时，根据预设的差分电压数字信号和热电势之间的转换关系，将所述差分电压数字信号转换为第一热电势；根据预设的温度和热电势之间的转换关系，将所述第二温度转换成第二热电势；根据所述第一热电势和二热电势之和确定热电偶冷端补偿后的第三热电势；根据预设的热电势和温度之间的转换关系，将所述第三热电势转换为温度，以获取经过修正的第一温度；或

当传感器为热电偶时，根据预设的差分电压数字信号和热电势之间的转换关系，将所述差分电压数字信号转换为第一热电势，根据所述第一热电势和温度的关系，将所述第一热电势转换为温度，以获取经过修正的第一温度。

3.根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于，所述信号和激励切换电路，包括：双路四通道模拟复用器、用于与传感器相连接的第一端子、第二端子、第三端子和第四端子、用于进行通道切换的第一控制管脚和第二控制管脚、激励的灌电流端、激励的吸电流端、输出所述差分电压模拟信号的差分正输出端、差分负输出端、上拉电阻和下拉电阻；

其中，所述上拉电阻分别与所述差分正输出端以及所述信号和激励切换电路的电源端相连接，所述下拉电阻分别与所述差分负输出端以及所述信号和激励切换电路的接地端相连接。

4.根据权利要求3所述的温度变送器，其特征在于，所述信号和激励切换电路，还用于：

接收单片机通过IO端口输出的高低电平切换差分信号和激励到不同的端子上，以实现所述信号和激励切换电路运行模式的切换，包括：控制所述双路四通道模拟复用器的通道控制端将第一端子、第二端子、第三端子和第四端子上的输出信号切换到差分电压模拟信号的差分负输出端，控制所述双路四通道模拟复用器的通道控制端将所述灌电流端切换到第一端子、第二端子、第三端子和第四端子上。

5.根据权利要求3所述的温度变送器，其特征在于，

当信号和激励切换电路处于第一运行模式时，所述第一控制管脚为低电平，所述第二控制管脚为低电平，灌电流端与所述第三端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第三端子相连接；

当信号和激励切换电路处于第二运行模式时，所述第一控制管脚为高电平，所述第二控制管脚为低电平，灌电流端与所述第一端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第四端子相连接；

当信号和激励切换电路处于第三运行模式时，所述第一控制管脚为低电平，所述第二控制管脚为高电平，灌电流端与所述第二端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第三端子相连接；

当信号和激励切换电路处于第四运行模式时，调整所述第一控制管脚为高电平，所述第二控制管脚为高电平，灌电流端与所述第二端子相连接，吸电流端与所述第三端子相连接，差分正输出端与所述第二端子相连接；差分负输出端与所述第四端子相连接。

6.根据权利要求5所述的温度变送器，其特征在于，所述单片机，还用于：

当所述传感器的类型为热电偶或差分电压时，热电偶或差分电压的正极与所述第二端子相连接，热电偶的负极与所述第三端子相连接，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第一运行模式，以进行信号测量；

当所述传感器的类型为4线制热电阻或4线制电阻时，4线制热电阻或4线制电阻的一对同极性线缆连接到所述第一端子和第二端子上，另一对同极性线缆连接到所述第三端子和第四端子上，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第二运行模式，以进行信号测量；

当所述传感器的类型为2线制热电阻或2线制电阻时，2线制热电阻或2线制电阻的两根线缆分别连接到所述第一端子和第二端子上，通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路处于第三运行模式，以进行信号测量；

当所述传感器的类型为3线制热电阻或3线制电阻时，3线制热电阻或3线制电阻同极性的两根线缆分别连接到所述第二端子和第三端子上，另一根单独极性的线缆拦截所述第四端子上，并通过所述控制指令控制所述信号和激励切换电路重复在第四运行模式和第三运行模式之间切换，以进行信号测量。

7.根据权利要求3所述的温度变送器，其特征在于，所述单片机，还用于：

根据所述差分电压数字信号，按照预设判断规则，确定温度变送器的故障类型和故障原因；其中，故障类型包括：严重故障和轻微故障；

其中，当传感器的类型为热电偶或差分电压，且处于第一运行模式时，根据所述差分电压数字信号确定电压实际值，并当所述电压实际值大于预设电压上限阈值或小于预设电压下限阈值时，确定故障类型为严重故障；

当所述传感器的类型为2线制热电阻或2线制电阻，处于第三运行模式时，根据所述差分电压数字信号确定第一电阻，并当所述第一预设电阻大于第一预设电阻上限阈值或小于第一预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障；

当所述传感器的类型为3线制热电阻或3线制电阻，且处于第四运行模式时，根据所述差分数字信号确定第二电阻，并当所述第二电阻大于第二预设电阻上限阈值或小于第二预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第三运行模式，并根据处于第三运行模式时的差分数字信号确定第三电阻，并当所述第三电阻小于等于第三预设电阻上限阈值且大于等于第三预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第一轻微故障；当所述第三电阻大于第三预设电阻上限阈值或小于第三预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障；

当所述传感器的类型为4线制热电阻或4线制电阻，且处于第二运行模式时，根据所述差分数字信号确定第四电阻，并当所述第四电阻大于第四预设电阻上限阈值或小于第四预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第四运行模式，并根据处于第四运行模式时的差分数字信号确定第五电阻，并当所述第五电阻小于等于第五预设电阻上限阈值且大于等于第五预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第二轻微故障；当所述第五电阻大于第五预设电阻上限阈值或小于第五预设电阻下限阈值时，切换运行模式为第三运行模式，并根据处于第三运行模式时的差分数字信号确定第六电阻，并当所述第六电阻小于等于第六预设电阻上限阈值且大于等于第六预设电阻下限阈值时，确定故障类型为第三轻微故障；当所述第六电阻大于第六预设电阻上限阈值或小于第六预设电阻下限阈值时，确定故障类型为严重故障。

8.根据权利要求7所述的温度变送器，其特征在于，所述单片机，还用于：

根据故障类型按照预设控制规则，发送控制指令至故障指示设备，以使得所述故障指示灯根据所述控制指令进行告警，同时指示故障等级；

当故障类型为第一轻微故障、第二轻微故障或第三轻微故障时，根据故障类型和预设降效运行规则，确定降效运行方式，并控制所述信号和激励切换电路按照所述降效运行方式运行；以及当温度变送器处于故障状态的运行时间达到预设时间阈值时，根据传感器类型调整至故障前的运行模式，并再次按照预设判断规则，确定温度变送器的故障类型和故障原因；

其中，所述降效运行规则包括：当故障类型为第一轻微故障时，确定降效运行方式为按照第三运行模式运行；

当故障类型为第二轻微故障时，确定降效运行方式为按照3线制热电阻或3线制电阻正常测量的运行模式运行；

当故障类型为第三轻微故障时，确定降效运行方式为按照第三运行模式运行。

9.一种传感器信号测量装置，其特征在于，所述传感器信号测量装置包括：恒流源发生电路、信号和激励切换电路、模数转换电路和单片机；其中，

所述恒流源发生电路，与所述信号和激励切换电路相连接，用于通过所述信号和激励切换电路输出恒流激励至传感器，以向所述传感器供电；

所述信号和激励切换电路，分别与传感器、模数转换电路和单片机相连接，用于根据单片机发送的模式切换指令确定运行模式；用于根据所述传感器输出的感应信号，获取差分电压模拟信号；

所述模数转换电路，与所述单片机相连接，用于对所述差分电压模拟信号进行模数转换，以获取差分电压数字信号；

所述单片机，与所述变送输出电路相连接，用于发送所述模式切换指令至所述信号和激励切换电流；用于根据所述差分电压数字信号，获取第一温度、电阻和/或电压数据。

10.一种基于如权利要求1-8中任一项所述智能温度变送器的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

单片机发送模式切换指令至信号和激励切换电路，以使得所述信号和激励切换电路根据所述模式切换指令确定运行模；

恒流源发生电路输出恒流激励至传感器，以向所述传感器供电；

信号和激励切换电路根据所述传感器输出的感应信号，获取差分电压模拟信号；

模数转换电路对所述差分电压模拟信号进行模数转换，以获取差分电压数字信号；

单片机根据所述差分电压数字信号，获取第一温度、电阻和/或电压数据；

变送输出电路将所述第一温度、电阻和/或电压数据转换为预设类型的标准信号。

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