低溫鉑電阻變送器設(shè)計(jì)

湛 月，林 潔

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100071）

特種氣體在當(dāng)今的照明設(shè)備、焊接冶金過(guò)程、太空探測(cè)和半導(dǎo)體工業(yè)中硅的生產(chǎn)有著廣泛的應(yīng)用。比如氦氣制備，常常采用冷凝法、空分法或氫液化法，制備過(guò)程中需要進(jìn)行溫度的監(jiān)測(cè)。而氦氣的沸點(diǎn)只有4.2 K，屬于超低溫，當(dāng)前市場(chǎng)產(chǎn)品中用于超低溫測(cè)量的溫度傳感器很少，而且測(cè)量精度不高。因此，本文遵循產(chǎn)品化設(shè)計(jì)原則，研制了一種滿足超低溫測(cè)量要求的寬量程高精度溫度變送器，實(shí)現(xiàn)4.2 K～370 K溫度測(cè)量，并進(jìn)行4～20 mA電流輸出。

1 組成和原理

溫度變送器采用二線制電流型，兩根線既是電源線也是4 mA～20 mA電流輸出線。節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)布線的成本。溫度變送器和傳感器之間采用四線制連接方式，以減小傳感器引線電阻造成的測(cè)量誤差。

圖1為溫度變送器系統(tǒng)框圖。變送器按照功能劃分，包括電源及保護(hù)電路、恒流源電路、信號(hào)調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)及外圍電路和D/A轉(zhuǎn)換電路。工作原理是：電阻信號(hào)經(jīng)過(guò)恒流源驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)通過(guò)調(diào)理送至A/D轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)根據(jù)濾波后的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果和 “溫度-電阻-電流”[1]對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)查詢法和線性插值處理法計(jì)算出D/A轉(zhuǎn)換電路的輸入值，通過(guò)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為4 mA～20 mA的模擬信號(hào)輸出。

圖1 溫度變送器系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of temperature transmitter system

2 溫度傳感器的選擇

常用的低溫元件有熱敏元件和鉑電阻元件，熱敏電阻在低溫區(qū)靈敏度較高，電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，但考慮到熱敏電阻的測(cè)量溫區(qū)較窄，例如A3熱敏元件測(cè)量溫區(qū)基本在50 K以下，對(duì)氣體制備的溫區(qū)監(jiān)測(cè)范圍有限，同時(shí)，熱敏元件容易老化，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，不適合工業(yè)長(zhǎng)期使用。Pt1000鉑電阻具有測(cè)溫精度高、測(cè)量范圍寬、穩(wěn)定性好、易標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低溫介質(zhì)溫度測(cè)量[2]。因此，溫度傳感器選用Pt1000鉑電阻。

不同Pt1000鉑電阻元件的阻值也略有差異，為實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，每個(gè)鉑電阻溫度元件必須在測(cè)量范圍內(nèi)選定一定數(shù)量的溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量該溫度下的元件阻值，將溫度-阻值的關(guān)系建立數(shù)組方便查詢。由于Pt1000元件在4.2 K～20 K之間阻值較小，為保證傳感器精度因此需要增加溫度點(diǎn)，采用每0.5 K一個(gè)溫度點(diǎn)，20 K～90 K采用每1 K一個(gè)溫度點(diǎn)，常溫區(qū)精度要求不嚴(yán)格，因此可適當(dāng)減少溫度點(diǎn)來(lái)提高傳感器的響應(yīng)速度。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 A/D采集及恒流源電路

Pt1000鉑電阻在4.2 K～370 K溫度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的電阻值為2～1376 Ω，分度表所用的激勵(lì)電流為0.1 mA，因此數(shù)據(jù)采集模塊處理的電壓信號(hào)是0.2 mV～137.6 mV，屬于典型的小信號(hào)測(cè)量。數(shù)據(jù)采集模塊的核心A/D轉(zhuǎn)換電路選用適合小信號(hào)測(cè)量的ADS1220。

ADS1220是一款精密的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部有一個(gè)低噪聲可編程增益放大器，可提供高達(dá)128 V/V的增益，高達(dá)20位有效分辨率，非常適合小傳感器信號(hào)測(cè)量應(yīng)用?？蓪?shí)現(xiàn)其他器件的寬電源電壓2.3 V～5.5 V供電。兩個(gè)差分輸入或四個(gè)單端輸入。內(nèi)部由雙匹配可編程電流源，可提供10 μA～1.5 mA范圍的恒流源電流。

為實(shí)現(xiàn)溫度的高精度測(cè)量，穩(wěn)定的恒流源至關(guān)重要。根據(jù)ADS1220的數(shù)據(jù)手冊(cè)，在信號(hào)采集和恒流源處均增加RC無(wú)源濾波。同時(shí)，電源去耦和良好的接地設(shè)計(jì)是保證高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器件達(dá)到最佳性能的前提。使用24位ADC時(shí)應(yīng)注意PCB的設(shè)計(jì)布局，采用模擬電路和數(shù)字電路獨(dú)立分區(qū)。模擬地需要盡可能短以減少電磁感應(yīng)現(xiàn)象，通常在電源與地之間采用星型結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。同時(shí)ADS1220器件區(qū)域應(yīng)采用較大的接地面，模擬接地和數(shù)字接地都連接到公共的接地點(diǎn)上。圖2為ADS1220輸出恒流并采集鉑電阻兩端電壓的部分電路。

ADS1220 可編程輸出 10 μA、50 μA、100 μA、250 μA、500 μA、1000 μA、1500 μA 電流為鉑電阻提供恒定激勵(lì)電流。恒流源電流值選擇有兩個(gè)原則：①盡量減小流經(jīng)鉑電阻的電流，使電流發(fā)熱升溫造成的測(cè)量誤差可以忽略；②根據(jù)電流值計(jì)算的最小單位溫度變化對(duì)應(yīng)的電壓變化值小于A/D采樣電路的分辨率，綜合以上兩個(gè)原則，同時(shí)考慮到進(jìn)行Pt1000元件“溫度-阻值”表建立時(shí)采用的激勵(lì)電流為100μA，因此恒流源輸出電流值選擇100μA。

3.2 單片機(jī)選擇

MSP430系列單片機(jī)具有模塊化結(jié)構(gòu)、超低功耗設(shè)計(jì)、靈活的始終系統(tǒng)和16位RISC CPU，能夠以極少的代碼量開發(fā)出高性能的應(yīng)用，片上資源豐富，性價(jià)比高，因而廣泛應(yīng)用于智能傳感器行業(yè)。MSP430F2491單片機(jī)是一款超低功耗的單片機(jī)，低電源電壓供電范圍為1.8 V～3.6 V，片上資源豐富，內(nèi)部含有振蕩器，同時(shí)I/O口數(shù)量滿足當(dāng)前功能需求，并為后續(xù)開發(fā)HART協(xié)議預(yù)留足夠I/O口。

圖2 恒流源及A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Constant flow source and A/D convert circuit

3.3 電源及D/A轉(zhuǎn)換電路

工業(yè)上最廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)模擬量電信號(hào)是用4 mA～20 mA直流電流[3]，其抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)電流源內(nèi)阻無(wú)窮大，導(dǎo)線電阻對(duì)信號(hào)傳輸影響小，使用普通雙絞線即可傳輸數(shù)百里。

AD5421是高性能的16位環(huán)路供電型4 mA～20 mA數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），是AD421的升級(jí)版本，對(duì)比AD421而言，其擁有更好的精度、溫度范圍、工作電壓范圍，并能夠提供穩(wěn)壓輸出[4]。

AD5421通過(guò)SPI三線制接口與微處理器連接，通過(guò)寫入DAC寄存器的數(shù)據(jù)決定環(huán)路電流，電流輸出通過(guò)LOOP-引腳輸出。AD5421內(nèi)置一路穩(wěn)壓輸出，用于為自身及其他器件供電，提供1.8 V～12 V調(diào)節(jié)輸出電壓，還內(nèi)置 1.22 V（REFOUT2）和2.5 V（REFOUT1）基準(zhǔn)電壓源，因此不需要分立穩(wěn)壓器和基準(zhǔn)電壓源。此外，AD5421還可以結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)HART協(xié)議通信電路使用，自身額定性能不會(huì)受到影響。

本設(shè)計(jì)中，AD5421有三個(gè)功能，一方面將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA電流輸出，另一方面輸出3.3 V電壓，為單片機(jī)和ADS1220元件提供電壓，此外，為產(chǎn)品進(jìn)一步開發(fā)預(yù)留HART協(xié)議通訊功能。

溫度變送器由環(huán)路供電，電流環(huán)路必須是浮地，否則無(wú)法形成；環(huán)路電流由兩部分組成：靜態(tài)工作電流和AD5421環(huán)路控制電流，它們的總和為環(huán)路電流（4 mA～20 mA）。為了滿足環(huán)路最小電流4 mA的要求，靜態(tài)工作電流必須小于4 mA，AD5421的靜態(tài)工作電流是0.3 mA，變送器其他電路MSP430和ADS1220均為低功耗設(shè)計(jì)，電流遠(yuǎn)小于3.7 mA，也為后續(xù)開發(fā)增加HART通訊功能提供了可能。

AD5421提供3.3 V電壓及D/A轉(zhuǎn)換的電路如圖3所示。

圖3 AD5421電路Fig.3 AD5421 and D/C convert circuit

4 單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 軟件控制流程

整體的溫度采集處理及控制電流輸出的主要控制流程如圖4所示。

圖4 軟件控制流程Fig.4 Flow chart of the control software

4.2 軟件濾波方法

軟件濾波方法采用的是滑動(dòng)平均濾波?；瑒?dòng)平均濾波相對(duì)均值濾波可以高效地濾除高頻噪聲。滑動(dòng)平均濾波就是把連續(xù)取得的N個(gè)采樣值堪稱一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每次采樣得到的一個(gè)新的數(shù)據(jù)放到隊(duì)尾，并丟掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均運(yùn)算，就可以獲得新的濾波效果[5]。

N為滑動(dòng)平均濾波的窗，當(dāng)窗足夠大時(shí)濾波效果才能達(dá)到要求。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，N=32時(shí)，可以快速得到穩(wěn)定的AD采樣數(shù)值。

4.3 線性處理方法

溫度小于50 K的低溫段鉑電阻的熱電阻與溫度之間呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，必須進(jìn)行線性化處理。溫度變送器的線性化處理采用查詢法和線性插值結(jié)合的方法進(jìn)行。線性化處理過(guò)程包括兩個(gè)步驟：

步驟1 根據(jù)所制備氣體氦氣4.2K、液氫20K、液氮77 K、液氧90 K等和所需變送器精度，通過(guò)Pt1000鉑電阻分度表選擇基礎(chǔ)溫度點(diǎn)。通過(guò)精密電阻箱模擬鉑電阻在不同溫度下的電阻值，A/D采集后得到當(dāng)前電阻對(duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值，按照4.2 K～370 K對(duì)應(yīng)4 mA～20 mA線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出寫入AD5421的DAC值。最終建立起基礎(chǔ)溫度點(diǎn)下溫度變送器對(duì)應(yīng) “電阻-采集A/D轉(zhuǎn)換值-輸出DAC值-輸出電流值”的數(shù)據(jù)表，形成基礎(chǔ)溫度點(diǎn)的A/D轉(zhuǎn)換值數(shù)組方便查詢。

步驟2 單片機(jī)采集到當(dāng)某一溫度下的A/D轉(zhuǎn)換值，查詢確定所在基礎(chǔ)溫度點(diǎn)區(qū)間，按照線性插值法計(jì)算變送器的對(duì)應(yīng)輸出電流值。

插值公式：

DAC計(jì)算公式：

由于AD5421元件自身加工誤差問(wèn)題，大于19.6 mA時(shí)輸出誤差會(huì)逐漸增大，誤差可達(dá)0.25%，不滿足變送器精度要求。因此在溫度大于358.5 K時(shí)，AD5421采用報(bào)警電流模式，可輸出電流的理論范圍為0～32 mA，可靠工作范圍3.5 mA～24 mA，寫入7位脈沖，可自動(dòng)轉(zhuǎn)入報(bào)警電流輸出模式。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用溫度變送器和配套Pt1000溫度傳感器，分別檢測(cè)液氦、液氫、液氮及液氧溫度，獲得的檢測(cè)結(jié)果及誤差如表1所示。

表1 低溫介質(zhì)溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)表Tab.1 Temperature measurement data table of low temperature medium

由試驗(yàn)所得結(jié)果可以看出溫度傳感器在超低溫的幾溫度點(diǎn)誤差小于0.1%，滿足特種氣體制備過(guò)程中溫度監(jiān)測(cè)精度要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于鉑電阻的二線制寬量程高精度溫度變送器的實(shí)現(xiàn)方法，充分利用ADS1220、AD5421和MSP430F2491單片機(jī)的性能，采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和線性化處理后，可穩(wěn)定線性的將4.2 K～370 K溫度轉(zhuǎn)化為4 mA～20 mA電流輸出，系統(tǒng)測(cè)量絕對(duì)誤差小于0.1%。該變送器穩(wěn)定性好、可靠性高，產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于氦氣等特種氣體制備的行業(yè)當(dāng)中。