一種鉑電阻式溫度變送器測量誤差校驗裝置設計*

陳華泰，張樂楨，王開銘

(國網白銀供電公司，甘肅 白銀 730900)

0 引 言

溫度變送器可將變壓器、電感、電容器、消弧線圈、軸承、繞組等設備的實時溫度采集并轉換成自動化數據，上傳至后臺自動化系統，為運行人員監控設備狀態提供可靠依據。若溫度變送器故障，將導致顯示和上傳的溫度數據錯誤，引起相關設備的誤動或者拒動，使得運行及監控人員無法掌握設備實時溫度。因此，定期對溫度變送器進行校驗，保證溫度數據采集的正確性具有重要意義。

根據JJF 1183-2007 溫度變送器校準規范的相關要求，溫度變送器的校準項目包括：測量誤差和絕緣電阻的測量[1-2]。其中測量誤差的校驗又分為帶傳感器檢驗和不帶傳感器檢驗兩種方式。根據現場的實際經驗，溫度變送器的熱電阻、熱電偶等檢測元件出現故障的概率比較低，由此引入的誤差也不大，因此，溫度變送器測量誤差的校驗通常采用不帶傳感器的方式[3]。文獻[4]中使用二等標準水銀溫度計、恒溫場、冰點槽等儀器設備進行溫度變送器測量誤差的校驗。使用熱電阻和溫度變送器對恒溫場的溫度進行測量輸出，并與二等標準水銀溫度計顯示的數值進行比較，從而實現對溫度變送器測量誤差的校驗。文獻[5]、[6]中使用計算機、標準鉑電阻溫度計和便攜式恒溫槽等儀器設備進行溫度變送器測量誤差的校驗。通過計算機實現恒溫槽校準溫度的控制，待恒溫槽溫度恒定后，通過溫度變送器對恒溫槽的溫度進行測量，并與標準鉑電阻溫度計顯示的數值進行比較，以此來實現對溫度變送器測量誤差的校驗。文獻[7]中使用4路電阻模擬測試溫度， 10個繼電器控制電路的狀態。單片機根據計算機的測試指令，通過控制繼電器的通斷實現測試溫度的模擬，并通過RS232通信接口將溫度變送器的輸出電流值發送給計算機，計算機將溫度變送器的實際輸出電流值和測試的標準電流值進行對比，以此來實現溫度變送器的校驗。上述文獻對溫度變送器測量誤差的校驗進行了研究，并取得了一定的成果，但在研究的過程中仍存在以下問題：①現場校驗需要的儀器設備比較多，而且設備的體積和重量比較大，攜帶不方便；②校驗線路接線比較復雜；③人工校驗過程中，需要記錄和處理的數據量大，人為因素對校驗結果影響較大；④校驗的溫度點比較少，不能全面反映溫度變送器的計量性能；⑤校驗過程耗時長且不便在現場進行檢驗。

在上述文獻研究基礎上，筆者設計一種基于單片機的鉑電阻式溫度變送器測量誤差校驗裝置，可實現對溫度變送器測量誤差的自動、高效校驗。

1 裝置總體設計

溫度變送器是一種將溫度變量轉換為標準電信號輸出或能夠以通訊協議方式輸出的設備。主要用于工業過程中溫度的測量和控制。溫度變送器的工作原理如圖1所示，以熱電偶或者熱電阻作為測溫元件，將測溫元件輸出的信號送到變送器模塊，再經過信號處理之后，轉換成與溫度成線性關系的4～20 mA的電流信號或者0～5 V/0～10 V的電壓信號，或者RS485數字信號輸出。部分溫度變送器還具有顯示單元和現場總線的功能。

圖1 溫度變送器工作原理圖

根據上述溫度變送器的工作原理及其測量誤差校驗規范，可知對鉑電阻式溫度變送器測量誤差的校驗可以采用如下的方法：用高精度的電阻模擬不同的測量溫度，用多路模擬開關將模擬電阻依次接入到溫度變送器的輸入端，將溫度變送器的輸出信號經信號調理電路調理之后輸出到單片機的AD轉換單元，單片機根據AD轉換的值計算出測量溫度，并將被測溫度與計算出的測量溫度比較，以此來判斷溫度變送器的測量誤差是否滿足要求。

通過對變電站、風力發電廠等大量使用鉑電阻式溫度變送器的場合進行實際調研發現，一般現場所使用的溫度變送器的工作范圍為-40～110 ℃，準確度為0.5%FS。因為本文設計的溫度變送器的校驗溫度范圍選擇為-40～110 ℃,準確度為0.5%FS。系統的總體結構如圖2所示。用16個高精度電阻表示PT100測溫范圍為-40～110 ℃時的典型溫度電阻值。通過單片機控制16路模擬開關CD4067讓16路高精度電阻值依次輸入到溫度變送器，溫度變送器的輸出信號經過信號調理電路后輸入到單片機的AD轉換單元中進行測量。單片機將測量的溫度值與該電阻對應的標準溫度值進行對比，以此來驗證溫度變送器是否發生了故障，并通過LCD顯示電路和語音播報電路，將校驗的結果直觀的輸出。

圖2 鉑電阻式溫度變送器測量誤差校驗裝置總體結構圖

2 硬件設計

由鉑電阻式溫度變送器測量誤差校驗裝置的總體結構可知，其硬件電路主要由：具有AD轉換功能的單片機最小系統、多路模擬開關電路、信號調理電路、LCD顯示電路、語音播報電路、啟動電路等組成。

(1) 單片機最小系統:本設計選擇飛思卡爾公司的增強型16位單片機MC9S12XS128作為主控器，其內部集成了16路12位的AD轉換接口和豐富的通信接口，不僅可以滿足設計的需要，而且為后續新功能的開發留出余量[8-10]。

(2) 多路模擬開關電路:通過單片機控制多路模擬開關CD4067實現16路模擬電阻的切換[11]。根據Pt100鉑電阻溫度與電阻值對照表選取模擬電阻值。由于表中查出的標準模擬電阻值有可能不是一個標準電阻值，所以每路模擬電阻都采用兩個高精度電阻串聯的形式。另外還需要考慮CD4067的導通內阻。通過反復的實驗測量，測得CD4067的導通內阻為50 Ω。

(3) 信號調理電路:溫度變送器輸出信號是與溫度成線性關系的4～20 mA的電流信號或者0～5 V/0～10 V的電壓信號，而單片機AD轉換單元可以接受的是0～5 V的電壓信號，而且溫度變送器輸出的信號中存在干擾信號，因此需要設計相應的信號調理電路。若溫度變送器輸出的是4～20 mA的電流信號，則經過50 Ω的負載電阻變換成0～5 V的電壓信號，再經過信號調理電路輸入到單片機的AD轉換口。若溫度變送器輸出的是0～5 V/0～10 V的電壓信號，則直接經過信號調理電路輸入到單片機的AD轉換口。信號調理電路主要采用運算放大器、電阻電容實現電壓的變換和濾波，并采用BAV99實現限幅和保護[12-13]。

(4) LCD顯示電路:通過單片機控制LCD12864以并行接口的方式實現相關參數和信息的顯示。

(5) 語音播報電路:通過單片機控制YS-M3語言播放模塊實現相關參數和信息的語音播報。

(6) 啟動電路:采用船型開關實現測量電路的啟動與關閉。當單片機檢測到啟動電路輸出為低電平時開始溫度變送器的校驗；當單片機檢測到啟動電路輸出為高電平時處于等待測量狀態。

3 軟件設計

系統軟件主要由初始化子程序、ADC轉換子程序、數字濾波子程序、多模模擬開關控制子程序、液晶顯示子程序、語音播報控制子程序等組成，整體系統控制的流程圖如圖3所示。

圖3 系統控制流程圖

上電系統初始化完成后，按下校驗啟動按鈕，單片機開始校驗，否則單片機等待校驗。校驗時單片機控制16路模擬開關CD4067對16路模擬溫度源依次進行測量，單片機將測量的溫度值與標準溫度值進行對比，以此來驗證溫度變送器是否發生了故障，并通過LCD顯示電路和語音播報電路，將校驗的結果直觀的輸出。其中LCD顯示內容如下：①每路電阻單獨進行校驗時顯示：“第x路輸入電阻為xxΩ，標準溫度為xxxx℃；實測溫度為xxxx℃；該路電阻校驗正確(或者錯誤)”。②校驗全部完成時顯示：“16路中共有x路正確；溫度變送器工作正常(或者故障)”。語音播報模塊在單片機的控制下，根據當前的狀態或者測量結果播報相應的內容。語音播報的內容主要有：①請按下校驗按鈕開始校驗；②開始校驗請等待；③溫度變送器工作正常；④溫度變送器故障。

4 系統測試

選取一個完好的XMT-288FC型溫度變送器進行鉑電阻式溫度變送器測量誤差校驗，測試結果如表1所列，從表1中可以看出，16路測試通道的測試誤差均小于0.5%FS，校驗裝置輸出的校驗結果為“溫度變送器工作正常”，測試結果與實際情況相符。最終的鉑電阻式溫度變送器測量誤差校驗儀體積小巧，操作簡單，只需一鍵啟動即可完成溫度變送器的自檢校驗。在白銀供電公司轄區12座變電站內隨機選取24臺溫度變送器，進行測試，測試結果證明：該裝置可以實現溫度變送器的校驗，檢驗準確率100%，平均校驗時間由原來的36 min縮短至5.3 min，大大節省了校驗時間。

表1 16路校驗通道測試結果

5 結 論

根據溫度變送器的工作原理和溫度變送器測量誤差校驗規范，結合現場溫度變送器校驗中存在的問題，提出了一種基于單片機的鉑電阻式溫度變送器測量誤差校驗裝置。在分析實際需求和現有技術的基礎上，確定了系統整體設計方案，設計了系統的硬件電路圖和軟件流程圖，并進行了實驗研究，從實驗研究結果可知該方法可實現對溫度變送器測量誤差的自動、高效校驗，滿足現場對溫度變送器進行檢驗高效、直觀的需求，縮減了溫度變送器檢驗時間，減輕了工作人員的勞動強度，進而帶來較高的經濟效益，具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。