电阻温度探测器数字电流环变送器的设计.pdf

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1、６８０化工自动化及仪表第４３卷电阻温度探测器数字电流环变送器的设计仝新建江国栋（南京工业职业技术学院能源与电气工程学院，南京２１００４６）摘要针对４～２０ｍＡ工业电流环测温精度无法达到要求的问题，采用静态工作电流小于４ｍＡ的新型低功耗数字ＩＣ器件，设计了一种电阻温度探测器数字电流环变送器。给出其测温原理、总体方案、硬件电路与软件流程。实验结果表明：电阻温度探测器数字电流环变送器的技术指标满足工业电流环４～２０ｍＡ的要求，在特定温度区域通过对系统误差的补偿，电阻温度探测器测温误差可小于０．１℃，满

2、足高精度、低功耗的测温要求。关键词电流环变送器电阻温度探测器数字信号集成电路误差补偿＋中图分类号ＴＨ８６２．１文献标识码Ａ文章编号１０００３９３２（２０１６）０７０６８００５目前，人们普遍采用４～２０ｍＡ的电流环来检１ＲＴＤ的测温原理［１］［２］测工业控制过程中的温度参数，这种接口需要ＲＴＤ是用铂金制造的，而铂金具有可预测将电压信号（典型值１～５Ｖ）转换为４～２０ｍＡ的的电阻温度特性，因此ＲＴＤ具有温度范围宽、线电流信号。如果要达到高准确度、高精度的温度性良好、长期稳定性高及可重复性好等特

3、性。ＲＴＤ中阻值Ｒ与温度Ｔ的卡伦德方程为：检测要求，必须使用昂贵的精密电阻器或微调电２３Ｒ＝Ｒ［１＋ＡＴ＋ＢＴ＋Ｃ（Ｔ－１００）Ｔ］，－２００≤Ｔ≤０℃位器来校准不精密器件的初始误差，以满足设计ｔ０（１）目标要求。但现代电子生产技术多采用表面贴装２Ｒ＝Ｒ（１＋ＡＴ＋ＢＴ），０＜Ｔ≤８５０℃（２）ｔ０的生产方式，获得表面贴装型的精密电阻器很难；其中，Ｒ为０℃时的电阻值；Ａ＝３．９６８４７×０微调电位器又需要人工干预，而且易受到环境和－３－７－１２１０，Ｂ＝－５．７７５×１０，Ｃ＝－４．１８３×１０

4、。使用时间的影响，存在一些不稳定因素，因此很难可以看出，式（１）、（２）是非线性方程。以Ｐｔ１００保证温度参数测量的准确性和稳定性。如果采用为例，其ＲＴＤ非线性曲线如图１所示，可以看出，数字处理方法，电流环需要信号调理、模数转换ＲＴＤ电阻值在小温度范围内有相当好的线性度；（ＡＤＣ）与数模转换（ＤＡＣ）变换器及单片机等电在整个温度范围内，电阻非线性最大值约４．５％，路，由于器件自身功耗的问题，电路工作电流会超过限制（４ｍＡ）要求，存在设计上的瓶颈而无法实现。随着集成电路（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒ

5、ｃｕｉｔ，ＩＣ）技术的迅速发展，低功耗ＩＣ新型器件不断涌现，为解决上述问题提供了有利条件。在此，笔者采用新型低功耗数字ＩＣ器件，设计一种带自校准功能的电阻温度探测器（ＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＤｅｔｅｃｔｏｒ，ＲＴＤ）数字电流环变送器。系统电路设计时，器件图１Ｐｔ１００的ＲＴＤ非线性曲线选型需严格控制其工作电流不大于４ｍＡ；同时，应用微控制单元（ＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵｎｉｔ，ＭＣＵ）的数收稿日期：２０１５１２２１（修改稿）字信号处理能力，通过软件调整方法，自动进行测

6、基金项目：江苏高校品牌专业建设工程项目温误差校准，提高测温精度。（ＰＰＺＹ２０１５Ｂ１８９）第７期仝新建等．电阻温度探测器数字电流环变送器的设计６８１需通过线性插值补偿加以校准。特性，标准包含了电阻与温度、容差、曲线和温度ＲＴＤ数字测温结构框图如图２所示。用一范围的关系列表。３种常见的ＲＴＤ规格为Ｐｔ１００、个已知恒流源Ｉ激励ＲＴＤ，产生一个正比于ＲＴＤＰｔ５００和Ｐｔ１０００，其中最通用的是Ｐｔ１００。Ｐｔ１０００的电压差Ｖ，经过电压放大与ＡＤ变换后得到可在０℃时的电阻值为１００Ω，电阻每摄氏

7、度变化约ＤＩＦ以计算ＲＴＤ电阻值的数字编码信号。０．３８５Ω。Ｐｔ１００的容差有５个等级，即ＡＡＡ、ＡＡ、Ａ、Ｂ和Ｃ。性价比最高的是等级Ａ，它具有良好的预校准精度和长期稳定性，在无校准的前提下，１００℃时的温度误差小于０．５℃。ＲＴＤ可以采用两线、三线和四线配置方式。两线制要求引线寄生电阻值已知而且不可改变，图２ＲＴＤ数字测温结构框图并通过计算对电路进行补偿；三线制带有开尔文连接，对环路寄生电阻进行测量和补偿；四线制标２ＲＴＤ数字电流环变送器总体方案准开尔文连接，可以对不同长度的线路进行精密［３

8、］数字电流环变送器由ＲＴＤ、ＡＤＣ、ＭＣＵ、测量，ＲＴＤ阻抗测量与其环路引线寄生电阻无ＤＡＣ、输出驱动电路和电源组成（图３），为高集成关。度４片系统解决方案。该数字电流环变送器选用３．２ＡＤＣ测量电路ＡＤＳ１２２０型ＡＤＣ，电流功耗４１５Ａ，接口可配置两［２］ＡＤＳ１２２０是一款精密的２４位∑ΔＡＤＣ，所线、三线或四线ＲＴＤ；ＭＣＵ为ＭＳＰ４３０Ｇ２５１３，电流集成的多种特性能够降低系统成本并减少小型传功耗３３０Ａ，可运行包含系统校准算法的应用软感器信号测量应用中的组件数量。ＡＤＳ１２２０内含