1、20 路数字温度变送器设计摘要：在科学技术日新月异的今天，数字化测量仪表的应用领域不断扩大。而温度是各种测量种常见的一个，也是很重要的一个量。模拟温度变送器存在着计数不方便，精度不高，记录不方便等缺点。数字温度变送器不仅能很好地克服以上缺点，而且能够用于多路温度同时测量。数字温度变送器采用了先进的数字化技术，具备了传统模拟仪表所不具备的多项先进性能，在对高、低频干扰信号的抑制方面均有着优异表现，即使在大功率变频控制系统中依然能够可靠应用，同时，数字化技术的应用彻底克服了传统温度变送器线性差的缺点，内部采用数字化调校、无零点及满度电位器、自动动态校准零点、温度飘移自动补偿等诸多先进技术。数字仪器
2、仪表原理较为复杂，各种型号、功能不同，原理也不一样，共同之处在于都是电子元器件组成，都是将被测的模拟量转换成数字量，最终由显示器来直接显示被测量的数值。由于读数直观、方便、没有视觉误差等优点，因而发展很快，近几年更发展为可以与其他执行机构连接，还可以输出开关量或模拟量，用以连接控制系统或计算机。本文介绍一种 20 数字温度变送器的设计，它采用 10 路热电偶和 10 路热电阻作为温度传感器，得到的模拟信号通过模拟开关选通后，进行模数转换得到数字信号，经过单片机处理后能过 RS-422 接口与上位机通信，同时显示 20 路温度情况，也可将温度数据保存到上位机。关键词：温度传感器；数字变送器；测温
3、中 北 大 学 2010 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 50 页20 Channel Digital Temperature TransmitterAbstract: In todays rapidly changing science and technology, digital measuring instrument applications are expanding. Measuring the temperature is a common species, is also very important quantity. Analog Temperature T
4、ransmitter count there is not convenient, precision is not high, recorded inconvenience shortcomings. Digital Temperature Transmitter can not only overcome these shortcomings, but the temperature can be used for multiple simultaneous measurements. Digital Temperature Transmitter uses advanced digita
5、l technology, traditional analog meters are equipped with many advanced features not available, in the high and low frequency interference signal suppression side, both have outstanding performance, even in the Power Frequency control system is still can be reliably applied at the same time, the app
6、lication of digital technology Temperature Transmitter completely overcome the traditional shortcomings of linear difference, the internal use of digital tuning, no zero point and full-scale potentiometer, automatic dynamic zero calibration, automatic temperature drift compensation, and many other a
7、dvanced technologies .Principles of digital instrumentation is more complex, various models, different functions, not the same principle, have in common is composed of all electronic components are tested in the analog to digital conversion, the final display by the display to be directly measured v
8、alues. As the reading convenient, intuitive, without the advantages of visual error, which developed rapidly in recent years it has developed connections with other enforcement agencies can also be digital or analog output for connection control system or computer.This paper describes a 20 Channel D
9、igital Temperature Transmitter, which uses 10 thermocouples and 10 thermal resistances as the temperature sensors, analog signal received through the analog switch strobe was conducted after the analog-digital conversion for digital signals through the microcontroller treatment to over RS-422 interf
10、aces with the host computer communication, also shows that the temperature of 20 channel conditions, temperature data can also be saved to the PC.Key words: temperature sensor; digital transmitter; temperature measurement中 北 大 学 2010 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 50 页1 绪论1.1 变送器的概念及分类变送器的概念是将传感器采集到的非标准电信号转
11、换为标准电信号或能够以通讯协议方式作为输出的仪器。变送器有模拟式和数字式两种，模拟式变送器是固定量程，需确定零点和终点。数字式变送器用户可以通过接口和软件用程序设定输入。数字式变送器的程序可以精确地调整符合新的测量要求。数字温度变送器采用了先进的数字化技术，具备了传统模拟仪表所不具备的多项先进性能，在对高、低频干扰信号的抑制方面均有着优异表现，即使在大功率变频控制系统中依然能够可靠应用，同时，数字化技术的应用彻底克服了传统温度变送器线性差的缺点，内部采用数字化调校、无零点及满度电位器、自动动态校准零点、温度漂移自动补偿等诸多先进技术。传感器是把非电物理量如温度、压力、液位、物料、气体特性等转换
12、成电信号。变送器则是把传感器采集到的微弱的电信号放大以便转送或启动控制元件。或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源。变送器有电流输出型与电压输出型两种。早期的变送器大多为电压输出型，即将测量信号转换为 0-5V 电压输出，这是运放直接输出，信号功率0.05W, 通过模拟数字转换电路转换数字信号供单片机读取、控制。但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用受到了极大限制，暴露了抗干扰能力较差,线路损耗破坏了精度等缺点，而电流输出型变送器以其具有极高的抗干扰能力得到了广泛应用。 电压输出型变送器抗干扰能力极差，线路损耗的破坏，谈不上
13、精度有多高,有时输出的直流电压上还叠加有交流成分，使单片机产生误判断，控制出现错误，严重时还会损坏设备，输出 0-5V 绝对不能远传，远传后线路压降大，精确度大打折扣。现在很多的 ADC,PLC,DCS 的输入信号端口都做成两线制电流输出型变送器 4-20mA 的 ,证明了电压输出型变送器被淘汰的必然趋势。中 北 大 学 2010 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 50 页采用电流信号的原因是不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米 7。上限取 20mA 是因为防爆的要求，20mA 的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯；下限
14、没有取0mA 的原因是为了能检测断线，正常工作时不会低于 4mA。当传输线因故障断路，环路电流降为 0。常取 2mA 作为断线报警值。1.2 国内外的研究现状1.2.1 国外研究现状美商伊玛电子为工业开关和传感器的专业制造厂家，有自动控制部和仪器仪表部两个部门。近日，该公司又推出 TC 系列温度变送器。TC 系列温度变送器系铝合金的材质制造，结构简单实用。同时，该产品测量精度高，稳定性好，抗干扰。其侦测物主要为气体和液体。其电源稳压器保护为：反极性、短路、过载；测量温度范围为：-40+150 。TC 系列温度变送器中，TC0001 为 4-20mA 模拟量输出，TC0002 提供了 0-10V
15、 模拟量输出。理想的 TC 系列可配合伊玛的手调器设置不同的模拟输出的温度范围，使测量的安装和设定变得非常简单。美国罗斯蒙特以自动化仪器仪表，自动化控制系统，仪表配件，成套装置等科技产品为主导行业，其产品已含盖 50 多种系列，200 多种规格。其温度变送器总体性能 0.15%，令回路性能最优化。五年稳定性 0.125%，可大降低校验和维护费用。更快的动态响应，可降低过程的可变性，有着 100：1 的量程比。小巧而质轻的共平面设计，具有最佳的性能，对现场的库存要求最低。PLANT 结构，采用HART 或 FOUNDATION 现场总线技术，可提供更多的现场信息，以改善工厂的性能。1.2.2 国
16、内研究现状在国内外同行中，大多数的温度变送器采用的是模拟技术，其准确度、线性化、三线制补偿、冷端温度补偿、抗电磁干扰等关键技术一直未能得到最完善的解决。智能化在前级仪表中的应用技术，优倍一直走在了本行业的前列，并获得国家 3 项软件著作权和 2 项电路专利。我们该产品的技术优势主要表现在以下几个中 北 大 学 2010 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 50 页方面：（1）更高的准确度、更丰富的线性化：凭借优倍对于微信号测量的丰富经验，我们对于 uV 级的温度信号测量取得了令人瞩目的成就，测量分辨率达到了：热电偶：0.2 uV，热电阻：0.002，输出分辨率达到：热电偶：0.1 ，
17、热电阻：0.005 。(-50600)同时，模拟型产品对于线性化，一般最多只能做到 5-7 段拟合线性算法处理，平均线性只有 0.1-0.2%左右，严重影响了测量准确度，而我公司的智能技术，采用了多达 100 段的优化处理，全量程线性化达到 0.001%。（2）三线制补偿、冷端补偿技术热电阻的引线补偿及冷端补偿技术是温度变送器的核心技术之一，优倍采用智能化的软件，结合设计完善的电路，做到了引线电阻允许不大于 50、冷端补偿准确度小于 0.5 的高指标。（3）优越的抗电磁干扰性能由于温度变送器，特别是热电阻输入的温度变送器输入信号的高阻抗性，使得产品在有一定电磁干扰的现场的应用过程中，很容易受到
18、外部的电磁干扰，其表现形式为输出信号不稳定，甚至产生突变现象。优倍产品采用了独特的输入抗干扰电路，并结合有国家软件著作权的抗干扰软件，使得优倍产品达到了极高的抗干扰能力，符合 GB/T 17626 电磁兼容性的要求，通过了军工部门对其静电放电、射频电磁场辐射、电快速瞬变脉冲群、浪涌(冲击)、射频场感应的传导干扰、工频磁场抗扰度等八项测试，结论全部符合。1.3 数字仪器仪表发展趋势及未来前景数字仪器仪表原理较为复杂，各种型号、功能不同，原理也不一样，共同之处在于都是电子元器件组成，都是将被测的模拟量转换成数字量（A/D 转换） ，最终由显示器来直接显示被测量的数值。由于读数直观、方便、没有视觉误
19、差等优点，因而发展很快，近几年更发展为可以与其他执行机构（如打印机）连接，还可以输出开关量或模拟量，用以连接控制系统或计算机。还有些数字电工仪表有自己的中央处理器（CPU）和各种存储器，所以有些数字电工仪表业已经微机化，智能化。比如深圳科立恒电子有限公司生产的 KM 表系，在智能控制、性价比方面中 北 大 学 2010 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 50 页就有它的独立之处。数字仪表的特点1）数字显示，读数不存在视觉误差。 2）精确度一般较高，数字电工仪表由于没有机电类仪表的可动部分，所以机械摩擦，变形的影响极小，只要元器件的质量、性能上没问题，数字仪表是比较容易制成很高精准度
20、的仪表，比如深圳科立恒电子有限公司的生产的 KM 显示表精度都已经达到了 0.01%， ，代理的 CSS 系列产品已经达到了十万分之一的精确度，而目前一般机电类仪表精准度达 0.1%已很不容易，而数字仪表可轻易达到0.05%，目前有些数字仪表以达到 0.01%的精确度。 3)灵敏度高。由于有些数字仪表内多设有各种放大线路或器件，所以可测量较小的信号。4)输入阻抗高。数字仪表一般本身有工作电源，除测量电流外，一般阻抗都可以制得较高，使在测量时对被测物理量影响很小。5）使用方便。特别是实验室用便携式、台式仪表，可制成多量程，多功能仪表。6）性价比高。 7）抗干扰性能较差，由于数字仪表灵敏度高，其副
21、作用就是抗干扰性能差，外磁场和电场等变化容易引起读书变化，为了解决这一现象；深圳科立恒公司，在技术方面投入巨资，应用先进的表面贴装工艺和电磁隔离技术，弧型设计面板确保仪表的长期稳定。 8）数字仪表的精确度，表示方法不同于指针式仪表，数字仪表一般多以读数值为基准值的百分数再加上几个数字来表示该表的精确度， 。一般多功能，多量程的数字多用表的各功能、量程档位不同时，精确度也不一样。随着科技不断进步和生产工艺的提高，各种新的数字器件不断出现，传感器的体积也越来越小，MEMS 就是一个趋势，这带来的好处是传感器也能集中在变送器中，成为一体化的智能变送器，而且变送器的性能也将越来越好。数字温度变送器可以
22、与单元组合仪表及 DCS、PLC 等系统配套使用，在油田、石化、制造、电力、冶金等行业的重大工程中有着广泛应用。其技术发展将会有以下趋势：（1）微型化中 北 大 学 2010 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 50 页微型数字仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用子仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航天
23、、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。（2）多功能化多功能本身就是数字仪器仪表的一个特点。这种多功能的综合产品不但在性能上比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。（3）人工智能化人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能。这样，数字仪器可无需人的干预而自主完成检测或控制功能。人工智能在现代仪表中的应用，使我们不仅可以解决传统方法很难解决的一类问题，而且可望用传统方法根本不能解决的问题。中 北 大 学 2010 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页
24、 共 50 页2 理论基础2.1 热电偶热电式传感器是利用其敏感元件的特征参数随温度变化的特征，对温度及温度有关参量进行测量的装置。其中，将温度量转换为电阻和电势是目前工业生产和控制应用最为普遍的方法。将温度变化转换为电阻的变化称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电动势的变化称为热电偶传感器。211 热电偶的测量原理热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的测温范围宽，测量可靠性高，因此在工业用传感器中占有重要地位。另外，热电偶本身具有能够产生电压的特性，所以只要在传感器电路上稍下功夫，就可以进行高精度的温度测量。热电偶的工作原理是基于热电效应。将两种不同金属 A 和 B 导线首尾连接
25、起来，并且给它的两个节点之间一个温度差，就会产生电动势，这种现象叫做塞贝克效应，或者叫做热电效应。热电动势的大小，仅仅取决于金属两种导线的种类以及节点之间的温度差。于是，在两中金属固定的情况下，热电动势的大小就反应了温差的大小。而且只要有温度差，无论选用哪两种金属之间的结合，都会产生热电动势。通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶，A 和 B 称为热电极，温度高的接点称为热端，温度低的接点称为冷端。热电偶回路中产生的电动势差为： 000(,()ln()TAAB BBNkETde)=热电偶有三个的基本定律，分别是：（1）由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温
26、度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电中 北 大 学 2010 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 50 页势为零。 （2）若热电偶两接点的温度相等，回路总电动势为零。（3）在热电偶回路中接入中间导体（第三导体） ，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。在使用热电偶测量温度时，影响其精度等级的因素有：（1）热电偶本身的误差。（2）基准接点的温度误差或者基准接点温度补偿产生的误差。（3）补偿的连接引起的误差。（4）电路误差。（5）其他原因，例如噪声、绝缘电阻、传导热阻等引起的误差等。2.2 铂电阻和热电偶一样，铂电阻也
27、是一种温度传感器。铂电阻在所有的传感器中是最稳定的一种，其测量温度范围宽度是-250+640。通常情况下，随着温度的升高，金属电阻值具有正的温度系数，其大小约为30007000ppm/。因此通过测量金属电阻值的变化，可以测量出其对应温度 13。作为能够测量温度的电阻体，除了铂以外，还有铜和镍。铂的纯度可以高达99.999%以上，在所有金属中最高的，再加上下述的优点，使得铂成为了较为理想的测温电阻器：（1） 纯度越高，电阻值温度特性越稳定。（2） 纯度越高，电阻的温度系数越大。2.3 模拟开关模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输入端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出
28、端的状态取决于输入端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输入端电平如何，输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用 3。由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。早期的模拟开关大多工作于20V 的电源电压，导通电阻为几百欧姆，主要用中 北 大 学 2010 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 50 页于模拟信号与数字控制的接口，近几年，集成模拟开关的性能有了很大的提高，它们可工作在非常低的电源电压，具有较低的导通电阻、微型封装尺寸和极佳的开关特性。被广泛用于测试设备、通讯产品、PB
29、X/PABX 设备以及多媒体系统等。一些具有低导通电阻和低工作电压的模拟开关成为机械式继电器的理想替代品。开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器,当给驱动继电器的驱动电路加高电平或低电平时,继电器就吸合或释放,其触点接通或断开电路。CMOS 模拟开关是一种可控开关,它不像继电器那样可以用在大电流、高电压场合，只适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号。2.4 模数转换2.4.1 模数转换原理传感器传送来的信号是模拟信号，并不能直接被单片机所处理，所以，要把模拟信号转换成数字信号，这就到用到 A/D 转换器。A/D 转换器的过程首先是对输入的模拟信号取样，
30、取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后再开始下一次采样。任何类型的模数转换都包括采样保持、量化和编码三个基本功能。A/D 转换器按照转换原理可分为直接 A/D 转换器和间接 A/D 转换器 1。所谓直接 A/D 转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型 A/D 转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化 A/D 芯片采用逐次逼近型者多；间接 A/D 转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型（积分型） ，电压/ 频率转换型，电压/脉宽转换型等。其中积分型 A/D 转换器电路简单，抗干扰能力强，而且能做到高分辨率，但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯A/D 转换功能，使用十分方便。2.4.2 转换速度和采样频率这里所说的转换速度是指一次采样到完成该次采样数据的转换并输出所需要的时间 2。大多数 ADC 是采样一次，转换一次，数据输出一次，因此最高采样频率和数据输出速率均等于转换时间的倒数（这里忽略了采样和输出的时间） 。也就
