三線制PT100溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

唐 軍,杜秀君

(1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息與人工智能學(xué)院,四川 宜賓 644003;

2.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科技處,四川 宜賓 644003)

0 引言

溫度控制在化工行業(yè)中有著非常重要的地位。精確地測量溫度并通過現(xiàn)代化的通信手段及時(shí)傳送到產(chǎn)線的中控系統(tǒng),以便中控系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握溫度值是生產(chǎn)中的一個(gè)重要課題。溫度測量技術(shù)中的一個(gè)重點(diǎn)是溫度傳感器的選型。常見的溫度傳感器類型有熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器四種類型,這四類傳感器有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在本文中,選擇電阻溫度檢測器(RTD)類的PT100電阻溫度檢測器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 PT100溫度傳感器工作原理

依據(jù)《工業(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表》,PT100的溫度計(jì)算在-200 ℃ 到850 ℃ 的測量范圍內(nèi),其計(jì)量溫度值的公式為:

對(duì)于大多數(shù)鉑熱電阻,R0的值為100 Ω或10 Ω,優(yōu)先值為100 Ω。在溫度超過600 ℃時(shí),由較粗導(dǎo)線形成的10 Ω電阻值更加可靠。

從上述定義可以看出,溫度發(fā)生變化時(shí),PT100的阻值也隨之發(fā)生變化。人們利用這個(gè)特點(diǎn),可以將PT100的阻值作為衡量溫度的物理量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PT100溫度傳感器的使用方法有兩線制、三線制、四線制。其中,兩線制、三線制的使用方法為電橋法,四線制的使用方法為恒流源法,在實(shí)際使用中,使用電橋法居多。使用電橋法進(jìn)行溫度測量時(shí),連接導(dǎo)線的電阻和接觸電阻會(huì)對(duì)結(jié)果影響,使用兩線制不能有效消除這種影響,而使用三線制就可以有效規(guī)避導(dǎo)線電阻和接觸電阻帶來的影響,故在實(shí)際使用中,以三線制居多。

本文設(shè)計(jì)的三線制PT100溫度測量系統(tǒng)為橫向課題。本設(shè)計(jì)需要計(jì)算出PT100的溫度值,再利用MODBUS-RTU協(xié)議,將此值通過485轉(zhuǎn)光纖模塊傳遞到上位機(jī)中。單片機(jī)的選型方面,設(shè)計(jì)人員考慮到預(yù)留以后系統(tǒng)升級(jí)空間,主控芯片選擇STM32F103ZET6。此芯片為M3內(nèi)核,工作頻率配置為72 MHz,滿足使用要求。此外,該MCU自帶了12 bit的ADC,也為使用提供了方便,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PT100采集外部的溫度信號(hào),經(jīng)過電橋電路進(jìn)行處理后,得到與溫度相關(guān)的電壓模擬信號(hào),再將該信號(hào)送入儀表運(yùn)放進(jìn)行放大。設(shè)計(jì)人員將放大后的電壓信號(hào)送入STM32,利用STM32內(nèi)部自帶的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并利用查表法完成溫度信號(hào)的換算。

在本課題中,按設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)系統(tǒng)的電流信號(hào)和工作狀態(tài)進(jìn)行采集,采集到的信號(hào)也與溫度信號(hào)的處理方式一致,即利用MODBUS-RTU協(xié)議,通過串口光纖轉(zhuǎn)換器,將數(shù)據(jù)上報(bào)到上位機(jī)中。限于篇幅,本文只討論P(yáng)T100的溫度采集與數(shù)據(jù)上報(bào)過程。

3 硬件設(shè)計(jì)

PT100電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是惠更斯電橋和儀表放大電路[2]。圖2為本文設(shè)計(jì)的實(shí)際電路,PT100從P1端口引入后,經(jīng)過電橋電路,產(chǎn)生表征溫度的電壓信號(hào),再將該信號(hào)送入由INA826為核心構(gòu)成的儀表放大電路[3]進(jìn)行處理,通過R4調(diào)節(jié)放大增益。INA826調(diào)理完成的信號(hào)送入STM32進(jìn)行ADC采樣,采用查表法計(jì)算出具體溫度值。

圖2 電橋與儀表放大電路設(shè)計(jì)

在具體設(shè)計(jì)中,C1、C2、L1與 C3、C4、L2均為π型濾波器,用于改善電源質(zhì)量。R1、R2、R6與PT100構(gòu)成電橋電路,后級(jí)的INA826電路為儀表放大電路。PT100經(jīng)過電橋電路產(chǎn)生的電壓UAB經(jīng)過儀表運(yùn)放電路進(jìn)行信號(hào)放大后,送入STM32的ADC進(jìn)行采樣后,經(jīng)運(yùn)算得到PT100的實(shí)時(shí)電阻值RPT100,再查表求解出具體的溫度。本設(shè)計(jì)中,按設(shè)計(jì)要求,溫度的精度控制在±1 ℃ 即可。

表1 上傳信息

4 軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中,STM32與上位機(jī)之間的通信采用MODBUS-RTU協(xié)議。STM32通過串口光纖轉(zhuǎn)換器監(jiān)聽上位機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù),并依據(jù)事前約定的數(shù)據(jù)地址對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并上傳數(shù)據(jù)。

Modbus協(xié)議是一個(gè)master/slave架構(gòu)的協(xié)議。在本設(shè)計(jì)中,DCS系統(tǒng)作為master節(jié)點(diǎn),本研究研發(fā)的三線制PT100溫度測量系統(tǒng)作為slave節(jié)點(diǎn),地址為0x01。通信由master發(fā)起,以slave節(jié)點(diǎn)做應(yīng)答,完成數(shù)據(jù)上傳的工作。

在設(shè)計(jì)中,系統(tǒng)需要上傳的信息有3個(gè),分別是:工作的電流值、設(shè)備工作狀態(tài)、監(jiān)測點(diǎn)的溫度值。按照此要求,對(duì)需要上傳的信息做了設(shè)置。

5 系統(tǒng)調(diào)試與系統(tǒng)改進(jìn)方向

系統(tǒng)調(diào)試分成溫度驗(yàn)證和MODBUS通信驗(yàn)證兩個(gè)部分。在溫度驗(yàn)證中,設(shè)計(jì)人員通過USART將采集到的PT100溫度打印出來,與水銀溫度計(jì)測量結(jié)果做比對(duì),對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了溫度數(shù)據(jù)的正確性。

在調(diào)試MODBUS協(xié)議時(shí),設(shè)計(jì)人員先通過PC機(jī)模擬DCS系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證完成后,再通過串口光纖轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試無誤后,系統(tǒng)順利接入中控DCS系統(tǒng)。

項(xiàng)目交付后,項(xiàng)目負(fù)責(zé)人與甲方作了深入溝通,擬在下一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用華為Liteos系統(tǒng),即在已經(jīng)完成的光纖傳輸基礎(chǔ)上,加入NB-IOT技術(shù)來完成設(shè)計(jì)。這樣做的目的是在中控DCS系統(tǒng)之外,單獨(dú)利用華為的IOTDA平臺(tái)完成設(shè)備的接入,為監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)搭建一個(gè)窗口,方便在線查看系統(tǒng)的工作狀態(tài)。