高性能溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊開發(fā)與測試研究

陳建軍，方 襲，許 敏

(上海辰竹儀表有限公司，上海 201612)

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，特別是我國經(jīng)濟(jì)已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，社會對生產(chǎn)安全越來越重視。穩(wěn)定的生產(chǎn)安全保障已成為可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展不可動搖的基礎(chǔ)和前提。在實(shí)踐中，人們不斷提出新的安全管理要求，引入先進(jìn)的管理技術(shù)，如先進(jìn)報(bào)警管理系統(tǒng)[1]、可預(yù)測性維護(hù)等。這對過程變量監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集儀表提出了更高的性能和安全可靠性要求。

溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊可接收來自生產(chǎn)現(xiàn)場的熱電阻、熱電偶等溫度傳感器信號，經(jīng)過線性化處理轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號傳輸?shù)娇刂剖襕2]，在溫度測量控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。其性能和可靠性對保障生產(chǎn)安全十分重要。二十多年來，隨著測量技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)品的技術(shù)性能有了很大提升，與進(jìn)口同類產(chǎn)品的差距正不斷縮小。但是國內(nèi)產(chǎn)品整體與國外同類先進(jìn)產(chǎn)品相比仍有不小差距，尤其在可靠性、電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)等方面。在高端市場競爭中，國內(nèi)產(chǎn)品長期處于劣勢。

本文從滿足更高的應(yīng)用要求出發(fā)，研究、開發(fā)了高性能溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊，并通過測試研究設(shè)計(jì)了可提高模塊標(biāo)定和測試精度的測試線插頭方案。

1 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)分析

在線診斷功能是提高測量控制系統(tǒng)可靠性和安全性的重要手段。當(dāng)系統(tǒng)診斷出現(xiàn)故障時，會輸出特定的故障報(bào)警信號，方便用戶及時進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和維修。溫度傳感器的常見故障有熱電阻斷線/短路故障、熱電偶斷線故障等。熱電偶長期使用會逐漸劣化，導(dǎo)致溫度測量誤差增大。而熱電偶的劣化是一個緩慢的量變過程，難以對其定量[3]。對熱電偶劣化進(jìn)行早期識別診斷，可便于用戶進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。

工業(yè)現(xiàn)場日益復(fù)雜的電磁環(huán)境是影響測量控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要因素。浪涌(沖擊)、靜電放電甚至可能造成設(shè)備損壞。熱電阻、熱電偶信號屬于小信號，容易受到干擾。因此，抗電磁干擾能力成為溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。

測試和檢驗(yàn)產(chǎn)品時，一般要求測試系統(tǒng)的測量不確定度不超過被測產(chǎn)品規(guī)定誤差限的四分之一[4]。因此，高精度的產(chǎn)品要求更低測量不確定度的測試系統(tǒng)。在溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊生產(chǎn)過程中，標(biāo)定和測試系統(tǒng)的測量不確定度主要來源于測試儀器和信號源。信號源模擬電阻輸出端口處的接觸電阻是一個不可忽略的因素。

2 高性能溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件電路與可靠性設(shè)計(jì)

電路功能框圖如圖1所示。

圖1 電路功能框圖Fig.1 Circuit functional block diagram

基于單片機(jī)(microcontroller unit，MCU)技術(shù)及模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital,A/D)、數(shù)模轉(zhuǎn)換(digital to analog,D/A)技術(shù)，可準(zhǔn)確采集溫度傳感器信號，并將其轉(zhuǎn)換為溫度線性的標(biāo)準(zhǔn)電信號。

本文依據(jù)GB/T 3836.4—2021《爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》中關(guān)聯(lián)裝置本安防爆設(shè)計(jì)要求[5]設(shè)計(jì)本安防爆功能。由快速熔絲、齊納管及限流電阻組成的限能電路，可以限制到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)的能量[6]。通過可靠隔離變壓器實(shí)現(xiàn)供源輸入、信號輸入和信號輸出三端之間可靠隔離[2]，能夠防止本安電路與非本安電路之間的擊穿，確保本安電路的防爆性能[7]。本設(shè)計(jì)的溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊已通過防爆認(rèn)證。防爆參數(shù)為：Um=250 V;Uo=4.6 V;Io=27.1 mA;Po=31.2 mW;Co=200 μF;Lo=47.8 mH。

為了增強(qiáng)產(chǎn)品的安全可靠性，依據(jù)GB/T 20438系列和GB/T 21109系列功能安全標(biāo)準(zhǔn)，對電路進(jìn)行功能安全設(shè)計(jì)，并按照功能安全儀表要求進(jìn)行性能測試。溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊視為B類安全相關(guān)組件，硬件故障裕度(hardware fault tolerance,HFT)為0。通過對各電路功能塊進(jìn)行失效模式分析，設(shè)計(jì)硬件和軟件相結(jié)合的診斷措施，使安全失效分?jǐn)?shù)(safe failure fraction,SFF)達(dá)到90%以上，從而符合安全完整性等級SIL2。

2.2 在線診斷功能的實(shí)現(xiàn)

通過在故障檢測時施加輔助激勵電流，對輸入回路信號采樣，根據(jù)溫度傳感器開路、短路故障時的各個通道采樣碼值進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)可靠的故障在線診斷。當(dāng)檢測到故障時，輸出預(yù)先設(shè)定的報(bào)警電流，同時通過面板LED燈進(jìn)行報(bào)警指示，以提高溫度測量控制系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)便捷性。輸入信號檢測與故障診斷電路如圖2所示。

圖2 輸入信號檢測與故障診斷電路Fig.2 Input signal detection and fault diagnosis circuit

2.2.1 熱電阻傳感器故障診斷

以三線制Pt 100為例，熱電阻輸入時，設(shè)置AD1_IN5為電流源輸出為200 μA的激勵電流。電流流經(jīng)端子5→RTD →端子8→R37→R38。三線制熱電阻輸入自動補(bǔ)償導(dǎo)線電阻的運(yùn)算式為：

式中：R為所測熱電阻阻值；R0為精密低溫漂基準(zhǔn)電阻R38的阻值；(U1-U3)、(U3-U4)分別為圖2中U1與U3之間、U3與U4之間的差分采樣電壓；U0為基準(zhǔn)電阻R38的兩端電壓，作為A/D的采樣參考基準(zhǔn)電壓。

診斷熱電阻傳感器故障方法和步驟如下。

①當(dāng)端子5或端子8連接回路斷線時，參考基準(zhǔn)電壓U0= 0 V，正常信號檢測時會得到(U1-U3)采樣為滿碼，診斷為斷線故障。

②當(dāng)端子7連接回路斷線時，U3通道輸入處于開路狀態(tài)。此時,(U3-U4)差分電壓不穩(wěn)定，不能據(jù)此準(zhǔn)確判斷是否斷線。設(shè)置ADS_IN9為電流源輸出為20 μA的電流，(U3-U4)采樣為滿碼，表明端子7連接回路斷線，診斷為斷線故障。檢測完畢，關(guān)閉ADS_IN9為電流源輸出并恢復(fù)正常電阻檢測。

③若正常電阻檢測時運(yùn)算得到的阻值低于組態(tài)預(yù)設(shè)定值(如Pt100設(shè)為15 Ω)，診斷為熱電阻短路故障。

2.2.2 熱電偶測量故障診斷

測量熱電偶輸入信號時設(shè)置A/D內(nèi)置基準(zhǔn)為采樣參考基準(zhǔn)，測量冷端補(bǔ)償電阻Pt100阻值時設(shè)置外部基準(zhǔn)，即以R38兩端電壓為采樣參考基準(zhǔn)。Pt100激勵電流路徑與2.2.1節(jié)中的熱電阻輸入相同。

①冷端補(bǔ)償電阻Pt100開路故障：激勵電流回路開路，(U1-U4)差分采樣為滿碼，診斷為冷端補(bǔ)償電阻開路。

②熱電偶故障診斷：首先正常采樣熱電偶輸入(U3-U4)信號差分電壓u0，然后設(shè)置ADS_IN9為電流源輸出為20 μA的激勵電流經(jīng)過熱電偶回路，并再次采樣(U3-U4)信號差分電壓u1。若u1為滿碼，則診斷為熱電偶斷線。

2.3 EMC抗擾度設(shè)計(jì)

溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊在實(shí)際應(yīng)用中常見的電磁干擾主要是靜電放電、射頻電磁場輻射、電快速脈沖群、浪涌(沖擊)、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾、0 Hz～150 kHz共模傳導(dǎo)騷擾等。解決電磁干擾問題需緊扣電磁干擾源、耦合通道、敏感設(shè)備三要素，從設(shè)計(jì)和應(yīng)用角度分析，尋求合適的解決方案。通過對模塊進(jìn)行EMC測試研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，本文從以下幾個方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.1 隔離浮地

如2.1節(jié)所述，供源輸入、信號輸出和信號輸入回路之間三端隔離，實(shí)現(xiàn)了隔離與浮地，大大提高了共模干擾電流路徑的阻抗，相當(dāng)于切斷隔離變壓器兩側(cè)的低頻共模電流路徑[8]。隔離浮地設(shè)計(jì)對抑制浪涌(沖擊)、低頻共模傳導(dǎo)等起到關(guān)鍵作用，對電快速脈沖群干擾、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)干擾也具有很好的抑制效果。

2.3.2 端口防護(hù)

端口防護(hù)措施主要針對傳導(dǎo)干擾，可有效抑制進(jìn)入模塊內(nèi)部的干擾。信號輸入端口電路如圖3所示。電流輸出端口如圖3(a)所示，采用了瞬變電壓抑制二極管(transient voltage suppressor,TVS)、電感、電容組合。電源輸入端口如圖3(b)所示，由于電源端有線-線浪涌(沖擊)測試，故采用壓敏電阻、電阻、電容、電感、TVS管組合。

圖3 端口電路Fig.3 Port circuits

2.3.3 印刷電路板布局與走線

在遵循GB/T 3836.4—2021中關(guān)于本質(zhì)安全電路的電氣間隙和爬電距離[5]要求的前提下，從EMC 角度進(jìn)行優(yōu)化印刷電路板(printed circuit board，PCB)布局及走線設(shè)計(jì)。

①端口防護(hù)電路應(yīng)盡量在電感前后形成“隔離帶”，再利用電感“架橋”引導(dǎo)干擾電流流過高阻抗電感，從而達(dá)到抑制干擾的目的。

②內(nèi)部敏感電路應(yīng)盡量與內(nèi)部干擾源(如晶振、高頻數(shù)字信號線等)保持距離，并可用地線隔開。

③靜電放電防護(hù)。器件及敏感信號線與外殼縫隙保持距離5 mm以上，減少靜電放電機(jī)會。

④鋪“地”處理。關(guān)鍵敏感器件(如A/D轉(zhuǎn)換電路、MCU等)下面的PCB盡可能大面積鋪“地”，讓干擾直接回到信號“地”，減少對器件的干擾。這對抑制輻射干擾很重要。實(shí)際上，電快速脈沖群、射頻傳導(dǎo)、靜電放電都有高頻分量，并伴有輻射干擾。因此，鋪“地”對抑制此類干擾有益。

3 樣機(jī)全性能測試

在測試試驗(yàn)中，對電阻輸入的標(biāo)定和測試方法進(jìn)行了研究和改進(jìn)，降低了測試系統(tǒng)的測量不確定度，提高了標(biāo)定和測試精度。經(jīng)過全性能測試，本文設(shè)計(jì)的高性能溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊達(dá)到預(yù)期性能目標(biāo)。本文僅列舉部分關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的測試結(jié)果。

3.1 信號轉(zhuǎn)換傳輸準(zhǔn)確度

3.1.1 提高測試精度的方法研究與改進(jìn)

要實(shí)現(xiàn)0～400 Ω范圍熱電阻測量A/D誤差小于40 mΩ，選用技術(shù)性能先進(jìn)的校驗(yàn)儀MC6作為標(biāo)定和測試信號源。在0～400 Ω范圍內(nèi)，其最大輸出誤差指標(biāo)為±25 mΩ，實(shí)測誤差最大達(dá)到12 mΩ。基于校驗(yàn)儀自身性能穩(wěn)定，可通過更高等級的儀器進(jìn)行校準(zhǔn)修正，保證其測量不確定度符合測試要求。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)MC6模擬電阻輸出時，測試線插頭與電阻輸出端口之間的接觸電阻對標(biāo)定和測試精度有影響。測試線插頭與MC6端口如圖4所示。常規(guī)插頭如圖4(a)所示。其中，R1、R2為插頭和MC6電阻輸出端口之間的接觸電阻，實(shí)測電阻值為5～15 mΩ。顯然，測量系統(tǒng)的不確定度不能滿足要求[9]。

圖4 測試線插頭與MC6端口示意圖Fig.4 Schematic diagram of the test lead plug and MC6port

針對上述問題進(jìn)行改進(jìn)，基于四線制電阻測量原理設(shè)計(jì)了一種測試線插頭方案。四線制插頭如圖4(b)所示。其中，R1、R2、R3、R4為插頭金屬片與MC6電阻輸出端口之間的接觸電阻。假設(shè)激勵電流I從導(dǎo)線①流入，沿圖4(b)中箭頭方向流經(jīng)電阻溫度探測器(resistance temperature detector,RTD)，從導(dǎo)線②流出。因?yàn)閷?dǎo)線③和導(dǎo)線④回路是測量電壓的高阻抗回路，流經(jīng)電阻R3和R4的電流為零，故測得的電壓U與激勵電流I之比(U/I)即為信號源模擬輸出電阻RTD的阻值，從測試原理上消除了接觸電阻的影響。通過八位半數(shù)字萬用表FLUKE8558A對MC6進(jìn)行校準(zhǔn)修正。修正后標(biāo)定測試系統(tǒng)的測量不確定度[10]為9 mΩ，滿足測試要求。

3.1.2 基本誤差

使用改進(jìn)后的測試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定和測試。輸入輸出基本誤差試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 基本誤差試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Basic error test results

3.2 環(huán)境適應(yīng)性

環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)主要測試環(huán)境溫度影響、相對濕度影響、振動影響[11]。

試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 18271.3—2017《過程測量和控制裝置通用性能評定方法和程序第3部分：影響量影響的試驗(yàn)》。試驗(yàn)時,模塊輸入為Pt100(0～200 ℃)，輸出為4～20 mA。

環(huán)境影響試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 環(huán)境影響試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Environmental impact test results

3.3 EMC性能

按照功能安全儀表的測試項(xiàng)目和試驗(yàn)嚴(yán)酷度要求，本文依據(jù)IEC 61326-3-1進(jìn)行了靜電放電、射頻電磁場輻射、工頻磁場、電快速脈沖群、浪涌(沖擊)、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾、0 Hz～150 kHz共模傳導(dǎo)騷擾等EMC抗擾度性能測試。試驗(yàn)時，模塊輸入為Pt100(0～200 ℃)，輸出為4～20 mA 。試驗(yàn)過程中，輸出最大變化量均小于1%，符合GB/T 18268.1(IEC 61326-1)性能判據(jù)A，以及IEC 61326-3-1功能安全產(chǎn)品性能判據(jù)DS。

4 產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)突破與創(chuàng)新

4.1 熱電偶劣化早期診斷

熱電偶隨著使用時間的推移，會不可避免地出現(xiàn)劣化現(xiàn)象。由于這是一個緩慢的過程，往往在出現(xiàn)比較大的測量誤差甚至徹底損壞后才會發(fā)現(xiàn)。通過在線監(jiān)測熱電偶回路的直流阻抗變化，診斷出熱電偶劣化時給出報(bào)警信號，提示用戶可以擇機(jī)進(jìn)行維護(hù)，避免突然損壞、臨時停車對生產(chǎn)造成的影響，以及過早更新或頻繁檢測造成的成本浪費(fèi)。

4.2 EMC抗擾度設(shè)計(jì)

EMC性能是目前工業(yè)儀表在現(xiàn)場應(yīng)用可靠性的重要指標(biāo)。國產(chǎn)產(chǎn)品與國外同類進(jìn)口產(chǎn)品的EMC性能存在較大差距。本次設(shè)計(jì)的高性能溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊，綜合運(yùn)用隔離、端口防護(hù)等EMC設(shè)計(jì)技術(shù)，在EMC抗擾度方面具有出色的性能表現(xiàn)，達(dá)到國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

4.3 高精度熱電阻標(biāo)定與測試方法

市場上校驗(yàn)儀模擬電阻信號輸出端口普遍為兩線制接口。作為電阻信號源時，如果使用常規(guī)的測試線插頭，無法消除端口處接觸電阻的影響。本文研究設(shè)計(jì)的測試線插頭方案，從測試原理上消除了測試線插頭與信號源輸出端口之間的接觸電阻影響，提高了模塊電阻輸入時的標(biāo)定和測試精度。

5 結(jié)論

本文研究、開發(fā)的高性能溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊，具有本安防爆功能和傳感器在線診斷功能，準(zhǔn)確度高、環(huán)境適應(yīng)性好、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，可以滿足更高的應(yīng)用要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)測試試驗(yàn)，本文研究、設(shè)計(jì)的四線制電阻測試線插頭方案有效解決了接觸電阻的影響問題，在溫度量輸入信號轉(zhuǎn)換模塊生產(chǎn)標(biāo)定和檢驗(yàn)測試中具有較高的實(shí)用價值。