多路溫度遠傳監測儀最多對4個溫度點進行測量，LED顯示被測回路中最高點溫度(戶也可以通過按鍵操作，選擇查看任一點溫度顯示值)，時將最高溫度(或指定通道溫度)以二線制4-20mA方式送入PLC或DCS系統。
多路溫度遠傳監測儀總體方案設計
筆者設計了一個四路鉑電阻溫度遠傳監測儀，其總體設計方案如圖1所示。設計思路為：電源轉換電路為整個系統提供一個小于4mA的恒定電流源和兩個基準電壓；鉑電阻采用三線制接法，通過R/V轉換電路將溫度信號轉換為電壓信號并進行放大和非線性補償；高值選擇電路將四路溫度信號中最高的一路作為最后輸出信號，也可通過按鍵選擇電路來任意選取需顯示的通道；通過V/I轉換把電壓信號轉換為4-20mA電流信號，通過二線制電源線輸出，由三位半數字顯示器在現場將溫度值顯示出來；溫度超過報警設定值時，報警電路的發光二極管導通，同時提供一對無源觸點輸出。
圖1 四路溫度遠傳監測儀總體設計方案
多路溫度遠傳監測儀硬件電路
1、電源電路
電源相關電路如圖2所示。
圖2 多路溫度遠傳監測儀電源、V/I轉換和報警電路
由運放U1，電阻R1、R2和二極管D1、D2構成恒流源電路，為整個變送器電路提供一個相對恒定的工作電流。穩壓管D3、D4和一個放大器為整個電路提供參考電壓VR1、VR2和工作電源Vcc，設Di兩端的電壓為VDi，則變送器的工作電流I可表示為：I=I1+I2+I3
運放U7為系統提供一個參考電壓VR2，用以減小R/V電路的電流消耗，由運放的工作原理得：VR2=VR1-[(Vcc-VR1)×R31]/R30
2、鉑電阻接口電路
①鉑電阻傳感器的非線性特性分析及線性化電路
鉑電阻的測溫原理是：隨被測溫度的變化，傳感器阻值發生變化。當-200℃≤t≤850℃時，鉑電阻的電阻值和溫度的關系函數為：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]，其中，R0為鉑電阻傳感器在t=0℃時的電阻值，其單位為Ω；A=3.9083×10-3℃-1；B=-5.847×10-7℃-2；C=-4.183×10-12℃-4。
Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]表明Rt=f(t)是非線性函數，曲線呈上凸特性。以Pt100為例，設步長為0.1℃，從-200℃開始，逐點代入式I=I1+I2+I3計算，得到鉑熱電阻傳感器的非線性特性(圖3)。結果表明：量程范圍內最大非線性誤差達到4.5%，必須采取線性化措施。
圖3 鉑熱電阻傳感器的非線性特性
本設計采用硬件校正方法，電路如圖4所示。運放U3用于實現R/V轉換，Rt為鉑電阻，r為線路電阻，VR1為參考地電壓，Vi是R/V非線性校正的輸出電壓(相對VR1)。
由“虛短”原理得：(Vi+VR1-VR2)/R3=(Vb-Vi)/R4；由“虛斷”原理得：Vb/(R5+Rt)≈Vi/Rt。設計時可使R3=R4=500Ω，所以有：Vi=[(VR1-VR2)×Rt]/(R5-Rt)=[(VR1-VR2)/R5]×[Rt/(1-Rt/R5)]，這表明：參考電壓VR2可以有效降低Vi的電壓，可以減小流過鉑電阻上的電流，降低功耗；電壓Vi對于Rt的變化具有下凸特性，正好可以補償Rt相對電阻R的上凸特性，使電壓Vi相對電阻R變成了S形曲線；影響線性誤差的關鍵問題是電阻R5的取值，而且測溫量程不同，R5的取值也不同。
②導線電阻補償電路
鉑電阻溫度測量的接線方式采用三線制接法，如圖4所示。設R6、R7、R9和R10相等，均為500kΩ，根據運放U2的工作特性有：Vb-Vi=Vd-Vc，電阻R5上的壓降VR5等于電阻R8上的壓降VR8。若設計時使電阻R5=2R8，則I1=VR5/R5，I3=VR8/R8=2I1；又因I3=I1+I2，所以I1=I2，Vi=VAB=I1×r+VRt-I2×r=VRt，即輸出電壓Vi完全等于鉑電阻Rt兩端的電壓VRt，消除了導線電阻r對測量造成的影響。
③線性放大電路
線性放大電路如圖4右下部分所示。采集的溫度信號經R/V轉換后，電壓Vi(相對VR1)很小，需經過放大電路轉換成便于測量的電壓Vo(相對VR1) 。
圖4 多路溫度遠傳監測儀測量通道1電路
圖4中的Vf(相對VR1)為：Vf=-[(K113+R13)×VR1]/(R13+K1+R14)；由疊加定理得Vg(相對VR1)為：Vg=(Vi×R12)/(R11+R12)+(Vf×R11)/(R11+R12)；由U4工作原理可得：Vo=[(R11×Vf)/(R11+R12)+(R12×Vi)/(R11+R12)]×[1+R16/(K2+R15)]，設K=1+R16/(K2+R15)，可得：Vo=[(R11×Vf)/(R11+R12)+(R12×Vi)/(R11+R12)]×K=[(R1×2K)/(R11+R12)]×Vi+[(R11×Vf)/(R11+R12)]×K，由此可知，電壓Vo和電壓Vi成線性關系，可由電位器K1調整截距，由電位器K2調整斜率。
④通道選擇電路
圖4為測量通道1電路，其他通道結構相同。設其中兩路(1與2)的輸出值分別為Vo1、Vo2，且Vo2＞Vo1，則Vo2在通道1中分壓后落在通道1中運放反相端V_上的電壓就會大于原來的V+上的壓降，使放大器輸出電壓為負值，二極管D5將截止，不會再有輸出，最后的輸出將為Vo2，也就是最大值。如果是四路，也是同樣的原理。
開關按鈕S1、S2、S3、S4可分別選擇通道1-4，通道1和S2、S3、S4相連，通道2和S1、S3、S4相連，依此類推。按下S2按鈕，就使通道1、3、4電路中的一個二極管與地相連，使放大器電源端接地而不工作，所以儀表最后顯示的結果就是被測電路2中的溫度值。
⑤V/I轉換及顯示電路
V/I轉換電路如圖2右下部分所示。它將電壓Vo經過V/I電路變成電流Io(4-20mA)輸出。輸出電流Io等于電流I4和I5之和，因為I4非常微小，所以輸出電流Io的大小只與R29和Vo有關。設R24、R25、R26和R27均等于500kΩ，Ve為相對VR1的電壓，根據運放U6的工作原理可得：Vo+V2=0-VR1和Io=I5=(-VR1-Ve)/R29=Vo/R29
圖2中的插座J1用于插入顯示器模塊，本設計選用二線制電流變送三位半LED數顯表，可將通過的電流量，按設定的范圍，線性對應地以十進位數字量顯示出來。
⑥報警電路
如圖2所示。Vo通過正反饋電路連接滯回比較器U5正端，K3、R18、R19構成比較器的基準電壓。運放U5輸出值Vout是由Vo和“基準電壓”通過滯回比較器得到的輸出信號，當Vo大于基準電壓時，運放輸出Vcc使Q4截止，電流從電路上端的D6支路流過，發光二極管發光，報警器發出報警信號。
電路參數分析及計算
1、電源電路
①工作電流計算
電源電路如圖2所示。運放U1選用寬電壓的LM358，最小電源電流僅為0.5mA。D4擊穿電壓約為1.25V，D3擊穿電壓為2.50V，工作電流都小于1.0mA。其他運算放大器都采用功耗超低的LMC7111，此處的電源消耗電流可忽略不計。由運放U1原理得：I1=VD2/R1和I3=VD1/R2。
因I2約為0.50mA，二極管的壓降約為0.7V，可取電阻R1=R2=430Ω，由式I=I1+I2+I3、I1=VD2/R1和I3=VD1/R2可知，電源電路可為變送器提供的電流I約為3.75mA。
由式Vb-Vi=Vd-Vc可知，圖4的電流I1=VR5/R5=Vi/Rt，可知Vi的范圍是27.5~44.2mV，Rt為100.00~157.33Ω，得電流I1最大不到0.30mA，I3不到0.60mA，4個通道共消耗電流不足2.40mA，加上穩壓管工作電流和其他電路的消耗電流，總電流可控制在3.30mA以內，小于3.75mA，滿足設計要求。
②參考電壓計算
Vcc=VD1+VD2=1.25+2.50=3.75V，而運放的最小正常工作電壓為2.50V，參考電壓滿足設計要求。VR1=VD1=1.25V。取R31=56kΩ，R30=200kΩ，由式VR2=VR1-[(Vcc-VR1)×R31]/R30得VR2=1.25-[(3.75-1.25)×56]/200=0.55V。
2、鉑電阻接口電路參數計算
在量程范圍內取3個溫度點t1=0℃、t2=75℃、t3=150℃，其對應阻值分別為100.00、128.99、157.33Ω。為了保證線性度并盡量減小最大非線性誤差，應使上述3個溫度點所對應的電壓Ut1、Ut2、Ut3之間滿足公式2Ut2=Ut1+Ut3
由式Vi=[(VR1-VR2)×Rt]/(R5-Rt)=[(VR1-VR2)/R5]×[Rt/(1-Rt/R5)]、2Ut2=Ut1+Ut3可得R5為2647.0638Ω，設計中可取R5=2.65kΩ。則R5=2R8，所以R8=1.32kΩ，若采用其他量程，計算方法相同。
3、信號放大電路參數計算
①輸出電壓Vo范圍值的確定
Rt的取值范圍為100.00~157.33Ω，將這個范圍值與R5、VR1和VR2的值代入式Vi=[(VR1-VR2)×Rt]/(R5-Rt)=[(VR1-VR2)/R5]×[Rt/(1-Rt/R5)]中，求得Vi的取值范圍為27.5~44.2mV。
輸出電流Io為4-20mA，將這一范圍值代入式Io=I5=(-VR1-Ve)/R29=Vo/R29中，令R29=25Ω，得到Vo的取值范圍為100~500mA。
②Vo的斜率和截距的確定
Vi的范圍為27.5~44.2mV，且Vo的范圍為100~500mV，則Vi和Vo滿足下式：Vo=23.95×Vi-0.76
根據式Vo=[(R11×Vf)/(R11+R12)+(R12×Vi)/(R11+R12)]×K=[(R1×2K)/(R11+R12)]×Vi+[(R11×Vf)/(R11+R12)]×K可得：(R12×K)/(R11+R12)=23.95；[(R11×Vf)/(R11+R12)]×K=-0.76；R11=-(23.95/0.76)×Vf=-31.5×Vf。
因為Vf的取值在-1.250~0.000V之間，暫取Vf為-0.625V，得R12/R11≈19.7，令R11=10kΩ，R12=200kΩ，對照式Vo=23.95×Vi-0.76可得：K=25.1、Vf=-0.630。
又K=1+[R16/(K2+R15)]，則可取R16=300kΩ、R15=11kΩ、K2=2kΩ，則K=1+[R16/(K2+R15)]=23.1~27.3，可調整電位器K2使K=25.1滿足設計要求。
④報警電路參數計算
如圖2所示，運放U5的反相端電壓(相對VR1)為：V_=[(Vcc-VR1)/(R18+R19+K3)]×(R19+K323)，取R18=400kΩ、R19=10kΩ，K3=100kΩ，代入式中可得V_的變化范圍為50~540mV。完全包含了Vo的輸出電壓100~500mV，可實現量程范圍內的任一點上限報警。因篇幅所限，報警回差參數不作分析。
筆者的設計方案線性化精度高，量程內的最大相對誤差可達0.028‰，相同方法測量0-850℃最大相對誤差可控制在0.5%之內；明確了各個量程段最佳線性化參數的求解方法，可應用于任意量程；消除了導線電阻引起測量誤差的可能性；不但可自動完成溫度高值選擇、顯示、報警、變送，也可手動按鍵選擇測量通道；工作電源直接取自兩線制遠傳輸出端子，電壓范圍寬。
昌暉儀表生產的溫度遠傳監測儀XTRM功能與筆者的設計原理大致相同，并融入自主知識產權的數字儀表技術，多路溫度遠傳監測儀XTRM在穩定性和可靠性行業領先，在水泥及陶瓷等多個行業得到廣泛應用。
作者：大連交通大學電氣信息學院 張春光、王長友、張麗芳
