在工業自動化系統中,由于高可靠性的需要,傳感器信號處理電路以原理簡單、可靠的模擬信號為主,但不能完成非線性溫度信號線性化補償,無法對熱電偶進行精密冷端補償,無法根據現場條件靈活進行量程遷移等參數設置,導致其測溫精度不夠。同時,無法實現各種溫度信號通用處理,導致模塊專一化、多樣化,給生產、維護和現場管理帶來不便,不具備靈活的人機接口,對現場工況的適應性不足。基于此,研制了一種兩線制高精度通用隔離型溫度變送器,可通過人機接口靈活設置處理熱電阻、熱電偶、電阻、電壓等輸入信號,實現溫度信號的高精度測量。同時,通過變壓器實現電源、輸入、輸出三端隔離,解決了現場信號串擾的問題,提高了變送器抗干擾能力。
總體設計方案主要包括電源系統、激勵模塊、冷端補償模塊、片選邏輯模塊、信號處理模塊、A/D模塊、MCU處理中心、D/A模塊、信號隔離模塊和V/I轉換模塊。其中,電源系統采用24V直流供電,經由變壓器提供5V、3.3V隔離電源,為輸入、輸出兩側各模塊供電。激勵模塊為傳感器提供恒流激勵,冷端補償模塊為熱電偶傳感器提供冷端補償。傳感器和冷端補償模塊的輸出信號連接至片選邏輯,由MCU處理中心控制,按設定時序選擇相應通道信號,經信號處理模塊調理成A/D采樣所需標準信號后,由A/D模塊采樣并傳輸至MCU。MCU根據不同傳感器類型,選擇對應的算法,計算溫度。D/A模塊根據MCU指令輸出對應控制電壓至信號隔離模塊,信號隔離模塊通過變壓器實現輸入、輸出信號電氣隔離,將控制電壓等幅傳輸至V/I轉換模塊,V/I轉換模塊根據控制電壓實現兩線制4mA~20mA信號輸出。
溫度變送器采用通用化、模塊化設計。適用于熱電阻、所有類型熱電偶以及普通電阻、電壓輸入信號。可快速插拔,互為備份,具備高低限、斷線報警功能,可以及時發現故障。為驗證整機功能和精度,通過等效器分別模擬Pt100、K型熱電偶、WRe5- WRe26熱電偶三種常用類型傳感器信號進行試驗,其量程分別為(0~500)℃、(0~1000)℃、(0~1800)℃。可以看出,變送器信號轉換準確度優于0.1%,滿足工業現場使用要求。