阅读说明：本技术 一种基于现场总线的热电偶测量模块及其测量方法 (thermocouple measuring module based on field bus and measuring method thereof ) 是由 李武库 高海涛 李涛 刘文英 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于现场总线的热电偶测量模块及其测量方法,热电偶测量模块包括处理器、以太网交换机、电源模块和总线隔离单元,处理器分别与以太网交换机、电源模块和总线隔离单元电连接,以太网交换机一路通过隔离变压器后与以太网连接器LINK1电连接,另一路通过隔离变压器后与以太网连接器LINK2电连接,总线隔离单元通过模数转换器与多路模拟开关电连接,多路模拟开关依次通过低通滤波电路、过压保护电路后与IO接口连接器电连接。本模块所有测量端口可以进行热电阻RTD和热电偶TC测量任意配置,集成标准以太网工业协议,特别适用于大数据量传输和实时控制温度测量系统使用,方便工业现场快速组网和系统扩展,满足客户不同需求。(the invention provides a thermocouple measuring module based on a field bus and a measuring method thereof, wherein the thermocouple measuring module comprises a processor, an Ethernet switch, a power supply module and a bus isolation unit, the processor is respectively and electrically connected with the Ethernet switch, the power supply module and the bus isolation unit, one path of the Ethernet switch is electrically connected with an Ethernet connector LINK1 after passing through an isolation transformer, the other path of the Ethernet switch is electrically connected with an Ethernet connector LINK2 after passing through the isolation transformer, the bus isolation unit is electrically connected with a multi-path analog switch through an analog-to-digital converter, and the multi-path analog switch is electrically connected with an IO interface connector after passing through a low-pass filter circuit and an overvoltage protection circuit in sequence. All measurement ports of the module can be configured randomly for measuring the RTD and the TC of the thermocouple, a standard Ethernet industrial protocol is integrated, the module is particularly suitable for large data volume transmission and real-time control temperature measurement systems, rapid networking and system expansion of industrial fields are facilitated, and different requirements of customers are met.)

一种基于现场总线的热电偶测量模块及其测量方法

技术领域

本发明涉及工业总线领域，尤其涉及一种基于现场总线的热电偶测量模块及其测量方法。

背景技术

高精度温度测量是工业自动化应用中的一个关键参数。在工业温度测量应用领域中，设备需要适应恶劣的工况环境，对温度采集要求测温范围广、采样速度快、精度要求高。现场中应用中不同的客户使用不同的温度传感器(TC或RTD传感器)以及不同接线方式(如2/3/4线制)，目前的温度采集模块很难同时满足这些不同测量需求；同时一些产品不具有标准工业总线协议，不满足大数据量的传输、不方便工业组网。因此，研发一种基于现场总线的热电偶测量模块及其测量方法是个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决以上技术问题，提供一种基于现场总线的热电偶测量模块及其测量方法，可以满足不同传感器需求，具备标准工业以太网总线协议，安全可靠、体积小巧的测量模块。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于现场总线的热电偶测量模块，包括处理器、以太网交换机、电源模块和总线隔离单元，所述处理器分别与以太网交换机、电源模块和总线隔离单元电连接，所述以太网交换机一路通过隔离变压器后与以太网连接器LINK1电连接，另一路通过隔离变压器后与以太网连接器LINK2电连接，以太网交换机扩展两路以太网接口进行数据传输，所述总线隔离单元通过模数转换器与多路模拟开关电连接，所述多路模拟开关依次通过低通滤波电路、过压保护电路后与IO接口连接器电连接。

进一步的，所述处理器还通过IO隔离单元与多路模拟开关电连接，控制多路模拟开关切换实现多通道和切换，实现温度的测量和读取。

进一步的，所述电源模块分别与一M8-4芯电源连接器IN管脚和一M8-4芯电源连接器OUT管脚电连接，电源模块将外部DC18～36V转换成内部电路需要3.3V和5V电平，同时电源OUT为下一级模块供电，方便模块级联。

进一步的，本控制模块采用IP67防护等级。

进一步的，所述以太网连接器LINK1和以太网连接器LINK2分别与外部以太网通信电路连接。IO接口连接器采集温度信号。

进一步的，所述以太网连接器为M8-4芯以太网连接器，所述IO接口连接器为M12-5芯IO连接器。

本控制模块采用以下方式进行级联：上一级M8-4芯电源连接器OUT接口与下一级M8-4芯电源连接器IN接口电连接，上一级以太网连接器LINK2与下一级以太网连接器LINK1电连接。

一种采用上述热电偶测量模块的测量方法，其过程如下：

通过RTD温度测量时，采用比例法测量，ADC工作在双极性差分模式下：

式中：

CODE为ADC输出码；

N为ADC的分辨率；

Rref为基准电阻；

G为所选增益；

通过上式：可知RTD测量电阻值仅与基准电阻精度和漂移有关。

温度的计算通过Callender-Van Dusen公式

温度t<0℃公式为：

R_rtd(t)＝R₀[1+At+Bt²+C(t-100)t³]

温度t≥0℃公式为：

R_rtd(t)＝R₀(1+At+Bt²)

式中：

t为RTD温度(℃)

R_rtd(t)为RTD在温度(t)时的电阻(Ω)

R₀为0℃时的RTD电阻(当RTD传感器为PT100时R₀＝100Ω)

A、B、C为RTD的传感器的系数

处理器MCU将以上系数存入，通过测量RTD的电阻经过计算就可以得到当前的温度值。

进一步的，通过TC温度测量时，冷端补偿采用外部PT1000测量，内部采用高精度、低温漂基准，保证了绝对电压测量精度。

TC温度测量热电偶热电势大小不但与热端温度有关，而且与冷端温度有关。通过在每一个测量端口都采用PT1000温度传感器作为冷端温度测量。保证冷端温度准确性。

冷接点温度必须转换为电压，冷接点温度采用下面的多项式进行转换

式中：

E为冷接点热电电压；

Ci为与热电偶类型相关的多项式系数；

t₉₀为冷节点温度(℃)；

i为多项式阶数；

最终经过冷端补偿测量得到TC的热电动势E，处理器MCU软件上采用ITS-90温标系数按照以下公式计算出TC的实际温度值。

t₉₀＝c₀+c₁E+c₂E²+....c_iEⁱ

式中：

E为热电电压(uV)；

t₉₀为热电偶实际测量温度(℃)；

C_i为与热电偶类型相关的多项式系数；

i为多项式阶数；

进一步的，RTD和TC的温度测量校准：采用高精度温度过程校验仪分别对电阻值和TC的电压值进行校准，通过校准可以对温度消除增益和失调误差。校准过程是通过测量不同增益下多个的电阻值和电压值和实际值存入处理器中，通过分段线性插值法计算出标定的电阻值和电压值，其工作原理即将标定的样本点分成多个不同的区间，记为[X_i,X_i+1],在每个区间内是线性函数，且满足

则

按照上述公式就可以标定出测量区间上任意点电阻值和电压值，由此可以计算出修正后的温度值。

本发明具有的优点和积极效果是：本模块所有测量端口可以进行热电阻RTD和热电偶TC测量任意配置，集成标准以太网工业协议，特别适用于大数据量传输和实时控制温度测量系统使用，方便工业现场快速组网和系统扩展；结构紧凑小巧，便于安装，特别适应工业现场恶略环境中使用，满足客户不同需求。

附图说明

图1是本发明原理框图；

图2是模块级联系统框图；

图3是4线制RTD测量示意图；

图4是低通滤波电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

如图1所示，一种基于现场总线的热电偶测量模块，包括处理器、以太网交换机、电源模块和总线隔离单元，所述处理器分别与以太网交换机、电源模块和总线隔离单元电连接，所述以太网交换机一路通过隔离变压器后与以太网连接器LINK1电连接，另一路通过隔离变压器后与以太网连接器LINK2电连接，以太网交换机扩展两路以太网接口进行数据传输，所述总线隔离单元通过模数转换器与多路模拟开关电连接，所述多路模拟开关依次通过低通滤波电路、过压保护电路后与IO接口连接器电连接。所述处理器还通过IO隔离单元与多路模拟开关电连接，控制多路模拟开关切换实现多通道和切换，实现温度的测量和读取。所述电源模块分别与一M8-4芯电源连接器IN管脚和一M8-4芯电源连接器OUT管脚电连接，电源模块将外部DC18～36V转换成内部电路需要3.3V和5V电平，同时电源OUT为下一级模块供电，方便模块级联。所述以太网连接器LINK1和以太网连接器LINK2分别与外部以太网通信电路连接。IO接口连接器采集温度信号。所述以太网连接器为M8-4芯以太网连接器，所述IO接口连接器为M12-5芯IO连接器。所述处理器型号为STM32F407，所述电源模块包括LM2596和LM1117-3.3，所述以太网交换机型号为LAN9303。所述总线隔离单元为ADuM5401，所述IO隔离单元为ADuM1280，所述模数转换器为AD7193。所述多路模拟开关为ADG714。如图4所示，低通滤波电路采用RC滤波设计。过压保护通过在输入回路中串联限流电阻以保证在DC30V过压时输入电流限制在器件的工作范围内。所述低通滤波电路、过压保护电路均采用常规电路设计，在此不进行过多赘述。

如图2所示，本控制模块采用以下方式进行级联：上一级M8-4芯电源连接器OUT接口与下一级M8-4芯电源连接器IN接口电连接，上一级以太网连接器LINK2与下一级以太网连接器LINK1电连接。

电源模块LM2596将外部DC18～36V电源输入转换成5V电平，LM1117-3.3将5V电平转换将成内部电路需要3.3V电平，同时电源OUT为下一级模块供电，方便模块级联。

过压保护电路实现对内部测量电路的保护，防止意外损坏；低通滤波电路通过滤除测量信号中高频干扰；多路模拟开关实现不同回路、不同传感器的测量功能；ADC根据外部传感器的不同采用不同的PGA增益，并且经过内部SINC4数字滤波器滤波处理。模块内部采用高性能ARM Cortex-M4STM32F407处理器通过MII接口与三端口管理以太网交换机LAN9303通信，LAN9303扩展两路以太网接口LINK1和LINK2进行高速数据交换，处理器同时也将相关网络数据打包通过LINK2口发送给下一个模块实现数据交换功能。

为了适应工业现场应用的需要，模块电路进行专门的硬件保护设计：电源模块具有过压和欠压保护保护电路，电源接口可以承受500V浪涌冲击；通信接口采用了隔离变压器设计，通过2kV快速脉冲群测试，通信功能正常；测量端口采用过压保护电路，可以经受最高DC30V电压。

本模块所有测量端口可以进行热电阻RTD和热电偶TC测量任意配置：RTD测量支持PT100、PT200、PT500、PT1000多种传感器同时支持2/3/4线制任意配置，TC测量支持B/E/J/K/N/R/S/T传感器；集成标准以太网工业协议(EtherCAT、Modbus/TCP、EtherNet/IP、ProfiNet),特别适用于大数据量传输和实时控制温度测量系统使用，方便工业现场快速组网和系统扩展；结构紧凑小巧，外形尺寸为155x40x35mm，便于安装；全灌封结构设计、IP67防护等级，特别适应工业现场恶略环境中使用。

在实际工业应用中，对客户来说满足现场应用的不同需求；对生产厂商来说可以减少备货的成本压力；另外产品成本低，具有很强的市场竞争力。

温度测量上在软、硬件也进行专门设计，基本温度测量电路原理是温度信号经过过压保护电路、低通滤波电路、多路模拟开关，进入24位高分率模数采集芯片AD7193，处理器MCU的SPI接口通过总线隔离芯片ADuM5401与AD7193通信，MCU的GPIO通过隔离IO芯片ADuM1280控制多路模拟开关切换实现多通道和切换，实现温度的测量和读取。

针对不同RTD和TC测量采用不同的测量原理：

RTD温度测量：采用比例法测量，可以消除激励电流源的精度和漂移误差，温度精度仅与基准电阻有关。

图3就是4线制RTD比例测量的典型电路。(2/3线制原理类似)

从图中可以推导出：

Vrtd＝Rrtd×Iexc

Vref＝Rref×Iexc

ADC工作在双极性差分模式下，

式中：

CODE为ADC输出码；

N为ADC的分辨率(本电路为24)；

Rref为基准电阻；

G为所选增益；

通过上式：可知RTD测量电阻值仅与基准电阻精度和漂移有关。

温度的计算通过Callender-Van Dusen公式

温度t<0℃公式为：

R_rtd(t)＝R₀[1+At+Bt²+C(t-100)t³]

温度t≥0℃公式为：

R_rtd(t)＝R₀(1+At+Bt²)

式中：

t为RTD温度(℃)

R_rtd(t)为RTD在温度(t)时的电阻(Ω)

R₀为0℃时的RTD电阻(当RTD传感器为PT100时R₀＝100Ω)

A、B、C为RTD的传感器的系数

处理器MCU将以上系数存入，通过测量RTD的电阻经过计算就可以得到当前的温度值。

TC温度测量：冷端补偿采用外部PT1000测量，内部采用高精度、低温漂基准，保证了绝对电压测量精度。

TC温度测量热电偶热电势大小不但与热端温度有关，而且与冷端温度有关。通过在每一个测量端口都采用PT1000温度传感器作为冷端温度测量。保证冷端温度准确性。

冷接点温度必须转换为电压，冷接点温度采用下面的多项式进行转换

式中：

E为冷接点热电电压；

Ci为与热电偶类型相关的多项式系数；

t₉₀为冷节点温度(℃)；

i为多项式阶数；

最终经过冷端补偿测量得到TC的热电动势E，处理器MCU软件上采用ITS-90温标系数按照以下公式计算出TC的实际温度值。

t₉₀＝c₀+c₁E+c₂E²+....c_iEⁱ

式中：

E为热电电压(uV)；

t₉₀为热电偶实际测量温度(℃)；

C_i为与热电偶类型相关的多项式系数；

i为多项式阶数；

RTD和TC的温度测量校准：采用高精度温度过程校验仪分别对电阻值和TC的电压值进行校准，通过校准可以对温度消除增益和失调误差。

其基本过程中是通过测量不同增益下多个的电阻值和电压值和实际值存入处理器中，通过分段线性插值法计算出标定的电阻值和电压值，其工作原理即将标定的样本点分成多个不同的区间，记为[X_i,X_i+1],在每个区间内是线性函数，且满足

则

按照上述公式就可以标定出测量区间上任意点电阻值和电压值，由此可以计算出修正后的温度值。

通过以上措施实现了温度高精度测量，同时具有传感器开路、短路、过载等故障诊断功能。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。