三線制PT100溫度測量系統的設計

唐 軍,杜秀君

(1.宜賓職業技術學院 電子信息與人工智能學院,四川 宜賓 644003;

2.宜賓職業技術學院 科技處,四川 宜賓 644003)

0 引言

溫度控制在化工行業中有著非常重要的地位。精確地測量溫度并通過現代化的通信手段及時傳送到產線的中控系統,以便中控系統實時掌握溫度值是生產中的一個重要課題。溫度測量技術中的一個重點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缺點。在本文中,選擇電阻溫度檢測器(RTD)類的PT100電阻溫度檢測器進行設計。

1 PT100溫度傳感器工作原理

依據《工業鉑熱電阻技術條件及分度表》,PT100的溫度計算在-200 ℃ 到850 ℃ 的測量范圍內,其計量溫度值的公式為:

對于大多數鉑熱電阻,R0的值為100 Ω或10 Ω,優先值為100 Ω。在溫度超過600 ℃時,由較粗導線形成的10 Ω電阻值更加可靠。

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

2 系統設計

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,在實際使用中,使用電橋法居多。使用電橋法進行溫度測量時,連接導線的電阻和接觸電阻會對結果影響,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避導線電阻和接觸電阻帶來的影響,故在實際使用中,以三線制居多。

本文設計的三線制PT100溫度測量系統為橫向課題。本設計需要計算出PT100的溫度值,再利用MODBUS-RTU協議,將此值通過485轉光纖模塊傳遞到上位機中。單片機的選型方面,設計人員考慮到預留以后系統升級空間,主控芯片選擇STM32F103ZET6。此芯片為M3內核,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,系統結構如圖1所示。

圖1 系統設計

PT100采集外部的溫度信號,經過電橋電路進行處理后,得到與溫度相關的電壓模擬信號,再將該信號送入儀表運放進行放大。設計人員將放大后的電壓信號送入STM32,利用STM32內部自帶的ADC模塊進行模數轉換,并利用查表法完成溫度信號的換算。

在本課題中,按設計要求,設計人員還需要對系統的電流信號和工作狀態進行采集,采集到的信號也與溫度信號的處理方式一致,即利用MODBUS-RTU協議,通過串口光纖轉換器,將數據上報到上位機中。限于篇幅,本文只討論PT100的溫度采集與數據上報過程。

3 硬件設計

PT100電路設計的重點是惠更斯電橋和儀表放大電路[2]。圖2為本文設計的實際電路,PT100從P1端口引入后,經過電橋電路,產生表征溫度的電壓信號,再將該信號送入由INA826為核心構成的儀表放大電路[3]進行處理,通過R4調節放大增益。INA826調理完成的信號送入STM32進行ADC采樣,采用查表法計算出具體溫度值。

圖2 電橋與儀表放大電路設計

在具體設計中,C1、C2、L1與 C3、C4、L2均為π型濾波器,用于改善電源質量。R1、R2、R6與PT100構成電橋電路,后級的INA826電路為儀表放大電路。PT100經過電橋電路產生的電壓UAB經過儀表運放電路進行信號放大后,送入STM32的ADC進行采樣后,經運算得到PT100的實時電阻值RPT100,再查表求解出具體的溫度。本設計中,按設計要求,溫度的精度控制在±1 ℃ 即可。

表1 上傳信息

4 軟件設計

在本設計中,STM32與上位機之間的通信采用MODBUS-RTU協議。STM32通過串口光纖轉換器監聽上位機下發的數據,并依據事前約定的數據地址對數據進行解析并上傳數據。

Modbus協議是一個master/slave架構的協議。在本設計中,DCS系統作為master節點,本研究研發的三線制PT100溫度測量系統作為slave節點,地址為0x01。通信由master發起,以slave節點做應答,完成數據上傳的工作。

在設計中,系統需要上傳的信息有3個,分別是:工作的電流值、設備工作狀態、監測點的溫度值。按照此要求,對需要上傳的信息做了設置。

5 系統調試與系統改進方向

系統調試分成溫度驗證和MODBUS通信驗證兩個部分。在溫度驗證中,設計人員通過USART將采集到的PT100溫度打印出來,與水銀溫度計測量結果做比對,對比結果驗證了溫度數據的正確性。

在調試MODBUS協議時,設計人員先通過PC機模擬DCS系統對數據傳輸進行驗證,驗證完成后,再通過串口光纖轉換器進行調試。調試無誤后,系統順利接入中控DCS系統。

項目交付后,項目負責人與甲方作了深入溝通,擬在下一代產品設計中采用華為Liteos系統,即在已經完成的光纖傳輸基礎上,加入NB-IOT技術來完成設計。這樣做的目的是在中控DCS系統之外,單獨利用華為的IOTDA平臺完成設備的接入,為監控設備的工作狀態搭建一個窗口,方便在線查看系統的工作狀態。