多路溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)儀最多對(duì)4個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，LED顯示被測(cè)回路中最高點(diǎn)溫度(戶也可以通過按鍵操作，選擇查看任一點(diǎn)溫度顯示值)，時(shí)將最高溫度(或指定通道溫度)以二線制4-20mA方式送入PLC或DCS系統(tǒng)。
多路溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)儀總體方案設(shè)計(jì)
筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)四路鉑電阻溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)儀，其總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。設(shè)計(jì)思路為：電源轉(zhuǎn)換電路為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)小于4mA的恒定電流源和兩個(gè)基準(zhǔn)電壓；鉑電阻采用三線制接法，通過R/V轉(zhuǎn)換電路將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并進(jìn)行放大和非線性補(bǔ)償；高值選擇電路將四路溫度信號(hào)中最高的一路作為最后輸出信號(hào)，也可通過按鍵選擇電路來任意選取需顯示的通道；通過V/I轉(zhuǎn)換把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA電流信號(hào)，通過二線制電源線輸出，由三位半數(shù)字顯示器在現(xiàn)場(chǎng)將溫度值顯示出來；溫度超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路的發(fā)光二極管導(dǎo)通，同時(shí)提供一對(duì)無源觸點(diǎn)輸出。
圖1 四路溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)儀總體設(shè)計(jì)方案
多路溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)儀硬件電路
1、電源電路
電源相關(guān)電路如圖2所示。
圖2 多路溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)儀電源、V/I轉(zhuǎn)換和報(bào)警電路
由運(yùn)放U1，電阻R1、R2和二極管D1、D2構(gòu)成恒流源電路，為整個(gè)變送器電路提供一個(gè)相對(duì)恒定的工作電流。穩(wěn)壓管D3、D4和一個(gè)放大器為整個(gè)電路提供參考電壓VR1、VR2和工作電源Vcc，設(shè)Di兩端的電壓為VDi，則變送器的工作電流I可表示為：I=I1+I2+I3
運(yùn)放U7為系統(tǒng)提供一個(gè)參考電壓VR2，用以減小R/V電路的電流消耗，由運(yùn)放的工作原理得：VR2=VR1-[(Vcc-VR1)×R31]/R30
2、鉑電阻接口電路
①鉑電阻傳感器的非線性特性分析及線性化電路
鉑電阻的測(cè)溫原理是：隨被測(cè)溫度的變化，傳感器阻值發(fā)生變化。當(dāng)-200℃≤t≤850℃時(shí)，鉑電阻的電阻值和溫度的關(guān)系函數(shù)為：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]，其中，R0為鉑電阻傳感器在t=0℃時(shí)的電阻值，其單位為Ω；A=3.9083×10-3℃-1；B=-5.847×10-7℃-2；C=-4.183×10-12℃-4。
Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]表明Rt=f(t)是非線性函數(shù)，曲線呈上凸特性。以Pt100為例，設(shè)步長(zhǎng)為0.1℃，從-200℃開始，逐點(diǎn)代入式I=I1+I2+I3計(jì)算，得到鉑熱電阻傳感器的非線性特性(圖3)。結(jié)果表明：量程范圍內(nèi)最大非線性誤差達(dá)到4.5%，必須采取線性化措施。
圖3 鉑熱電阻傳感器的非線性特性
本設(shè)計(jì)采用硬件校正方法，電路如圖4所示。運(yùn)放U3用于實(shí)現(xiàn)R/V轉(zhuǎn)換，Rt為鉑電阻，r為線路電阻，VR1為參考地電壓，Vi是R/V非線性校正的輸出電壓(相對(duì)VR1)。
由“虛短”原理得：(Vi+VR1-VR2)/R3=(Vb-Vi)/R4；由“虛斷”原理得：Vb/(R5+Rt)≈Vi/Rt。設(shè)計(jì)時(shí)可使R3=R4=500Ω，所以有：Vi=[(VR1-VR2)×Rt]/(R5-Rt)=[(VR1-VR2)/R5]×[Rt/(1-Rt/R5)]，這表明：參考電壓VR2可以有效降低Vi的電壓，可以減小流過鉑電阻上的電流，降低功耗；電壓Vi對(duì)于Rt的變化具有下凸特性，正好可以補(bǔ)償Rt相對(duì)電阻R的上凸特性，使電壓Vi相對(duì)電阻R變成了S形曲線；影響線性誤差的關(guān)鍵問題是電阻R5的取值，而且測(cè)溫量程不同，R5的取值也不同。
②導(dǎo)線電阻補(bǔ)償電路
鉑電阻溫度測(cè)量的接線方式采用三線制接法，如圖4所示。設(shè)R6、R7、R9和R10相等，均為500kΩ，根據(jù)運(yùn)放U2的工作特性有：Vb-Vi=Vd-Vc，電阻R5上的壓降VR5等于電阻R8上的壓降VR8。若設(shè)計(jì)時(shí)使電阻R5=2R8，則I1=VR5/R5，I3=VR8/R8=2I1；又因I3=I1+I2，所以I1=I2，Vi=VAB=I1×r+VRt-I2×r=VRt，即輸出電壓Vi完全等于鉑電阻Rt兩端的電壓VRt，消除了導(dǎo)線電阻r對(duì)測(cè)量造成的影響。
③線性放大電路
線性放大電路如圖4右下部分所示。采集的溫度信號(hào)經(jīng)R/V轉(zhuǎn)換后，電壓Vi(相對(duì)VR1)很小，需經(jīng)過放大電路轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電壓Vo(相對(duì)VR1) 。
圖4 多路溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)儀測(cè)量通道1電路
圖4中的Vf(相對(duì)VR1)為：Vf=-[(K113+R13)×VR1]/(R13+K1+R14)；由疊加定理得Vg(相對(duì)VR1)為：Vg=(Vi×R12)/(R11+R12)+(Vf×R11)/(R11+R12)；由U4工作原理可得：Vo=[(R11×Vf)/(R11+R12)+(R12×Vi)/(R11+R12)]×[1+R16/(K2+R15)]，設(shè)K=1+R16/(K2+R15)，可得：Vo=[(R11×Vf)/(R11+R12)+(R12×Vi)/(R11+R12)]×K=[(R1×2K)/(R11+R12)]×Vi+[(R11×Vf)/(R11+R12)]×K，由此可知，電壓Vo和電壓Vi成線性關(guān)系，可由電位器K1調(diào)整截距，由電位器K2調(diào)整斜率。
④通道選擇電路
圖4為測(cè)量通道1電路，其他通道結(jié)構(gòu)相同。設(shè)其中兩路(1與2)的輸出值分別為Vo1、Vo2，且Vo2＞Vo1，則Vo2在通道1中分壓后落在通道1中運(yùn)放反相端V_上的電壓就會(huì)大于原來的V+上的壓降，使放大器輸出電壓為負(fù)值，二極管D5將截止，不會(huì)再有輸出，最后的輸出將為Vo2，也就是最大值。如果是四路，也是同樣的原理。
開關(guān)按鈕S1、S2、S3、S4可分別選擇通道1-4，通道1和S2、S3、S4相連，通道2和S1、S3、S4相連，依此類推。按下S2按鈕，就使通道1、3、4電路中的一個(gè)二極管與地相連，使放大器電源端接地而不工作，所以儀表最后顯示的結(jié)果就是被測(cè)電路2中的溫度值。
⑤V/I轉(zhuǎn)換及顯示電路
V/I轉(zhuǎn)換電路如圖2右下部分所示。它將電壓Vo經(jīng)過V/I電路變成電流Io(4-20mA)輸出。輸出電流Io等于電流I4和I5之和，因?yàn)镮4非常微小，所以輸出電流Io的大小只與R29和Vo有關(guān)。設(shè)R24、R25、R26和R27均等于500kΩ，Ve為相對(duì)VR1的電壓，根據(jù)運(yùn)放U6的工作原理可得：Vo+V2=0-VR1和Io=I5=(-VR1-Ve)/R29=Vo/R29
圖2中的插座J1用于插入顯示器模塊，本設(shè)計(jì)選用二線制電流變送三位半LED數(shù)顯表，可將通過的電流量，按設(shè)定的范圍，線性對(duì)應(yīng)地以十進(jìn)位數(shù)字量顯示出來。
⑥報(bào)警電路
如圖2所示。Vo通過正反饋電路連接滯回比較器U5正端，K3、R18、R19構(gòu)成比較器的基準(zhǔn)電壓。運(yùn)放U5輸出值Vout是由Vo和“基準(zhǔn)電壓”通過滯回比較器得到的輸出信號(hào)，當(dāng)Vo大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，運(yùn)放輸出Vcc使Q4截止，電流從電路上端的D6支路流過，發(fā)光二極管發(fā)光，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
電路參數(shù)分析及計(jì)算
1、電源電路
①工作電流計(jì)算
電源電路如圖2所示。運(yùn)放U1選用寬電壓的LM358，最小電源電流僅為0.5mA。D4擊穿電壓約為1.25V，D3擊穿電壓為2.50V，工作電流都小于1.0mA。其他運(yùn)算放大器都采用功耗超低的LMC7111，此處的電源消耗電流可忽略不計(jì)。由運(yùn)放U1原理得：I1=VD2/R1和I3=VD1/R2。
因I2約為0.50mA，二極管的壓降約為0.7V，可取電阻R1=R2=430Ω，由式I=I1+I2+I3、I1=VD2/R1和I3=VD1/R2可知，電源電路可為變送器提供的電流I約為3.75mA。
由式Vb-Vi=Vd-Vc可知，圖4的電流I1=VR5/R5=Vi/Rt，可知Vi的范圍是27.5~44.2mV，Rt為100.00~157.33Ω，得電流I1最大不到0.30mA，I3不到0.60mA，4個(gè)通道共消耗電流不足2.40mA，加上穩(wěn)壓管工作電流和其他電路的消耗電流，總電流可控制在3.30mA以內(nèi)，小于3.75mA，滿足設(shè)計(jì)要求。
②參考電壓計(jì)算
Vcc=VD1+VD2=1.25+2.50=3.75V，而運(yùn)放的最小正常工作電壓為2.50V，參考電壓滿足設(shè)計(jì)要求。VR1=VD1=1.25V。取R31=56kΩ，R30=200kΩ，由式VR2=VR1-[(Vcc-VR1)×R31]/R30得VR2=1.25-[(3.75-1.25)×56]/200=0.55V。
2、鉑電阻接口電路參數(shù)計(jì)算
在量程范圍內(nèi)取3個(gè)溫度點(diǎn)t1=0℃、t2=75℃、t3=150℃，其對(duì)應(yīng)阻值分別為100.00、128.99、157.33Ω。為了保證線性度并盡量減小最大非線性誤差，應(yīng)使上述3個(gè)溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓Ut1、Ut2、Ut3之間滿足公式2Ut2=Ut1+Ut3
由式Vi=[(VR1-VR2)×Rt]/(R5-Rt)=[(VR1-VR2)/R5]×[Rt/(1-Rt/R5)]、2Ut2=Ut1+Ut3可得R5為2647.0638Ω，設(shè)計(jì)中可取R5=2.65kΩ。則R5=2R8，所以R8=1.32kΩ，若采用其他量程，計(jì)算方法相同。
3、信號(hào)放大電路參數(shù)計(jì)算
①輸出電壓Vo范圍值的確定
Rt的取值范圍為100.00~157.33Ω，將這個(gè)范圍值與R5、VR1和VR2的值代入式Vi=[(VR1-VR2)×Rt]/(R5-Rt)=[(VR1-VR2)/R5]×[Rt/(1-Rt/R5)]中，求得Vi的取值范圍為27.5~44.2mV。
輸出電流Io為4-20mA，將這一范圍值代入式Io=I5=(-VR1-Ve)/R29=Vo/R29中，令R29=25Ω，得到Vo的取值范圍為100~500mA。
②Vo的斜率和截距的確定
Vi的范圍為27.5~44.2mV，且Vo的范圍為100~500mV，則Vi和Vo滿足下式：Vo=23.95×Vi-0.76
根據(jù)式Vo=[(R11×Vf)/(R11+R12)+(R12×Vi)/(R11+R12)]×K=[(R1×2K)/(R11+R12)]×Vi+[(R11×Vf)/(R11+R12)]×K可得：(R12×K)/(R11+R12)=23.95；[(R11×Vf)/(R11+R12)]×K=-0.76；R11=-(23.95/0.76)×Vf=-31.5×Vf。
因?yàn)閂f的取值在-1.250~0.000V之間，暫取Vf為-0.625V，得R12/R11≈19.7，令R11=10kΩ，R12=200kΩ，對(duì)照式Vo=23.95×Vi-0.76可得：K=25.1、Vf=-0.630。
又K=1+[R16/(K2+R15)]，則可取R16=300kΩ、R15=11kΩ、K2=2kΩ，則K=1+[R16/(K2+R15)]=23.1~27.3，可調(diào)整電位器K2使K=25.1滿足設(shè)計(jì)要求。
④報(bào)警電路參數(shù)計(jì)算
如圖2所示，運(yùn)放U5的反相端電壓(相對(duì)VR1)為：V_=[(Vcc-VR1)/(R18+R19+K3)]×(R19+K323)，取R18=400kΩ、R19=10kΩ，K3=100kΩ，代入式中可得V_的變化范圍為50~540mV。完全包含了Vo的輸出電壓100~500mV，可實(shí)現(xiàn)量程范圍內(nèi)的任一點(diǎn)上限報(bào)警。因篇幅所限，報(bào)警回差參數(shù)不作分析。
筆者的設(shè)計(jì)方案線性化精度高，量程內(nèi)的最大相對(duì)誤差可達(dá)0.028‰，相同方法測(cè)量0-850℃最大相對(duì)誤差可控制在0.5%之內(nèi)；明確了各個(gè)量程段最佳線性化參數(shù)的求解方法，可應(yīng)用于任意量程；消除了導(dǎo)線電阻引起測(cè)量誤差的可能性；不但可自動(dòng)完成溫度高值選擇、顯示、報(bào)警、變送，也可手動(dòng)按鍵選擇測(cè)量通道；工作電源直接取自兩線制遠(yuǎn)傳輸出端子，電壓范圍寬。
昌暉儀表生產(chǎn)的溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)儀XTRM功能與筆者的設(shè)計(jì)原理大致相同，并融入自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字儀表技術(shù)，多路溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)儀XTRM在穩(wěn)定性和可靠性行業(yè)領(lǐng)先，在水泥及陶瓷等多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
作者：大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院 張春光、王長(zhǎng)友、張麗芳
