低溫鉑電阻變送器設計

湛 月，林 潔

（北京航天試驗技術研究所，北京 100071）

特種氣體在當今的照明設備、焊接冶金過程、太空探測和半導體工業中硅的生產有著廣泛的應用。比如氦氣制備，常常采用冷凝法、空分法或氫液化法，制備過程中需要進行溫度的監測。而氦氣的沸點只有4.2 K，屬于超低溫，當前市場產品中用于超低溫測量的溫度傳感器很少，而且測量精度不高。因此，本文遵循產品化設計原則，研制了一種滿足超低溫測量要求的寬量程高精度溫度變送器，實現4.2 K～370 K溫度測量，并進行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。節省了現場布線的成本。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量誤差。

圖1為溫度變送器系統框圖。變送器按照功能劃分，包括電源及保護電路、恒流源電路、信號調理與A/D轉換電路、單片機及外圍電路和D/A轉換電路。工作原理是：電阻信號經過恒流源驅動轉換為電壓信號，電壓信號通過調理送至A/D轉換電路。單片機根據濾波后的A/D轉換結果和 “溫度-電阻-電流”[1]對應關系，通過查詢法和線性插值處理法計算出D/A轉換電路的輸入值，通過將數字信號轉化為4 mA～20 mA的模擬信號輸出。

圖1 溫度變送器系統框圖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，熱敏電阻在低溫區靈敏度較高，電阻溫度系數要比金屬大10～100倍以上，但考慮到熱敏電阻的測量溫區較窄，例如A3熱敏元件測量溫區基本在50 K以下，對氣體制備的溫區監測范圍有限，同時，熱敏元件容易老化，長期穩定性較差，不適合工業長期使用。Pt1000鉑電阻具有測溫精度高、測量范圍寬、穩定性好、易標定等優點，廣泛應用于低溫介質溫度測量[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，為實現高精度測量，每個鉑電阻溫度元件必須在測量范圍內選定一定數量的溫度點進行測量該溫度下的元件阻值，將溫度-阻值的關系建立數組方便查詢。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，采用每0.5 K一個溫度點，20 K～90 K采用每1 K一個溫度點，常溫區精度要求不嚴格，因此可適當減少溫度點來提高傳感器的響應速度。

3 硬件電路設計

3.1 A/D采集及恒流源電路

Pt1000鉑電阻在4.2 K～370 K溫度范圍內對應的電阻值為2～1376 Ω，分度表所用的激勵電流為0.1 mA，因此數據采集模塊處理的電壓信號是0.2 mV～137.6 mV，屬于典型的小信號測量。數據采集模塊的核心A/D轉換電路選用適合小信號測量的ADS1220。

ADS1220是一款精密的24位模數轉換器，內部有一個低噪聲可編程增益放大器，可提供高達128 V/V的增益，高達20位有效分辨率，非常適合小傳感器信號測量應用。可實現其他器件的寬電源電壓2.3 V～5.5 V供電。兩個差分輸入或四個單端輸入。內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。

為實現溫度的高精度測量，穩定的恒流源至關重要。根據ADS1220的數據手冊，在信號采集和恒流源處均增加RC無源濾波。同時，電源去耦和良好的接地設計是保證高精度模數轉換器件達到最佳性能的前提。使用24位ADC時應注意PCB的設計布局，采用模擬電路和數字電路獨立分區。模擬地需要盡可能短以減少電磁感應現象，通常在電源與地之間采用星型結構進行連接。同時ADS1220器件區域應采用較大的接地面，模擬接地和數字接地都連接到公共的接地點上。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電流。恒流源電流值選擇有兩個原則：①盡量減小流經鉑電阻的電流，使電流發熱升溫造成的測量誤差可以忽略；②根據電流值計算的最小單位溫度變化對應的電壓變化值小于A/D采樣電路的分辨率，綜合以上兩個原則，同時考慮到進行Pt1000元件“溫度-阻值”表建立時采用的激勵電流為100μA，因此恒流源輸出電流值選擇100μA。

3.2 單片機選擇

MSP430系列單片機具有模塊化結構、超低功耗設計、靈活的始終系統和16位RISC CPU，能夠以極少的代碼量開發出高性能的應用，片上資源豐富，性價比高，因而廣泛應用于智能傳感器行業。MSP430F2491單片機是一款超低功耗的單片機，低電源電壓供電范圍為1.8 V～3.6 V，片上資源豐富，內部含有振蕩器，同時I/O口數量滿足當前功能需求，并為后續開發HART協議預留足夠I/O口。

圖2 恒流源及A/D轉換電路Fig.2 Constant flow source and A/D convert circuit

3.3 電源及D/A轉換電路

工業上最廣泛采用的標準模擬量電信號是用4 mA～20 mA直流電流[3]，其抗干擾能力強，同時電流源內阻無窮大，導線電阻對信號傳輸影響小，使用普通雙絞線即可傳輸數百里。

AD5421是高性能的16位環路供電型4 mA～20 mA數模轉換器（DAC），是AD421的升級版本，對比AD421而言，其擁有更好的精度、溫度范圍、工作電壓范圍，并能夠提供穩壓輸出[4]。

AD5421通過SPI三線制接口與微處理器連接，通過寫入DAC寄存器的數據決定環路電流，電流輸出通過LOOP-引腳輸出。AD5421內置一路穩壓輸出，用于為自身及其他器件供電，提供1.8 V～12 V調節輸出電壓，還內置 1.22 V（REFOUT2）和2.5 V（REFOUT1）基準電壓源，因此不需要分立穩壓器和基準電壓源。此外，AD5421還可以結合標準HART協議通信電路使用，自身額定性能不會受到影響。

本設計中，AD5421有三個功能，一方面將數字信號轉換為4 mA～20 mA電流輸出，另一方面輸出3.3 V電壓，為單片機和ADS1220元件提供電壓，此外，為產品進一步開發預留HART協議通訊功能。

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

AD5421提供3.3 V電壓及D/A轉換的電路如圖3所示。

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

4 單片機軟件程序設計

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平均濾波。滑動平均濾波相對均值濾波可以高效地濾除高頻噪聲。滑動平均濾波就是把連續取得的N個采樣值堪稱一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣得到的一個新的數據放到隊尾，并丟掉原來隊首的一次數據，把隊列中的N個數據進行平均運算，就可以獲得新的濾波效果[5]。

N為滑動平均濾波的窗，當窗足夠大時濾波效果才能達到要求。經過實驗驗證，N=32時，可以快速得到穩定的AD采樣數值。

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嚴重的非線性，必須進行線性化處理。溫度變送器的線性化處理采用查詢法和線性插值結合的方法進行。線性化處理過程包括兩個步驟：

步驟1 根據所制備氣體氦氣4.2K、液氫20K、液氮77 K、液氧90 K等和所需變送器精度，通過Pt1000鉑電阻分度表選擇基礎溫度點。通過精密電阻箱模擬鉑電阻在不同溫度下的電阻值，A/D采集后得到當前電阻對應A/D轉換數值，按照4.2 K～370 K對應4 mA～20 mA線性對應關系，計算出寫入AD5421的DAC值。最終建立起基礎溫度點下溫度變送器對應 “電阻-采集A/D轉換值-輸出DAC值-輸出電流值”的數據表，形成基礎溫度點的A/D轉換值數組方便查詢。

步驟2 單片機采集到當某一溫度下的A/D轉換值，查詢確定所在基礎溫度點區間，按照線性插值法計算變送器的對應輸出電流值。

插值公式：

DAC計算公式：

由于AD5421元件自身加工誤差問題，大于19.6 mA時輸出誤差會逐漸增大，誤差可達0.25%，不滿足變送器精度要求。因此在溫度大于358.5 K時，AD5421采用報警電流模式，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，可自動轉入報警電流輸出模式。

5 試驗數據

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

表1 低溫介質溫度檢測數據表Tab.1 Temperature measurement data table of low temperature medium

由試驗所得結果可以看出溫度傳感器在超低溫的幾溫度點誤差小于0.1%，滿足特種氣體制備過程中溫度監測精度要求。

6 結語

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現方法，充分利用ADS1220、AD5421和MSP430F2491單片機的性能，采集的信號經過濾波和線性化處理后，可穩定線性的將4.2 K～370 K溫度轉化為4 mA～20 mA電流輸出，系統測量絕對誤差小于0.1%。該變送器穩定性好、可靠性高，產品已經應用于氦氣等特種氣體制備的行業當中。