高性能温度量输入信号转换模块开发与测试研究
时间：2022-12-03 17:35:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈建军，方 袭，许 敏
(上海辰竹仪表有限公司，上海 201612)
随着工业生产技术的发展，特别是我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，社会对生产安全越来越重视。稳定的生产安全保障已成为可持续高质量发展不可动摇的基础和前提。在实践中，人们不断提出新的安全管理要求，引入先进的管理技术，如先进报警管理系统[1]、可预测性维护等。这对过程变量监控和数据采集仪表提出了更高的性能和安全可靠性要求。
温度量输入信号转换模块可接收来自生产现场的热电阻、热电偶等温度传感器信号，经过线性化处理转换成标准电信号传输到控制室[2]，在温度测量控制系统中应用广泛。其性能和可靠性对保障生产安全十分重要。二十多年来，随着测量技术的发展和数字技术的广泛应用，国内温度量输入信号转换模块产品的技术性能有了很大提升，与进口同类产品的差距正不断缩小。但是国内产品整体与国外同类先进产品相比仍有不小差距，尤其在可靠性、电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)等方面。在高端市场竞争中，国内产品长期处于劣势。
本文从满足更高的应用要求出发，研究、开发了高性能温度量输入信号转换模块，并通过测试研究设计了可提高模块标定和测试精度的测试线插头方案。
在线诊断功能是提高测量控制系统可靠性和安全性的重要手段。当系统诊断出现故障时，会输出特定的故障报警信号，方便用户及时进行系统维护和维修。温度传感器的常见故障有热电阻断线/短路故障、热电偶断线故障等。热电偶长期使用会逐渐劣化，导致温度测量误差增大。而热电偶的劣化是一个缓慢的量变过程，难以对其定量[3]。对热电偶劣化进行早期识别诊断，可便于用户进行预测性维护。
工业现场日益复杂的电磁环境是影响测量控制系统稳定、可靠运行的重要因素。浪涌(冲击)、静电放电甚至可能造成设备损坏。热电阻、热电偶信号属于小信号，容易受到干扰。因此，抗电磁干扰能力成为温度量输入信号转换模块的关键性能指标之一。
测试和检验产品时，一般要求测试系统的测量不确定度不超过被测产品规定误差限的四分之一[4]。因此，高精度的产品要求更低测量不确定度的测试系统。在温度量输入信号转换模块生产过程中，标定和测试系统的测量不确定度主要来源于测试仪器和信号源。信号源模拟电阻输出端口处的接触电阻是一个不可忽略的因素。
2.1 硬件电路与可靠性设计
电路功能框图如图1所示。
图1 电路功能框图Fig.1 Circuit functional block diagram
基于单片机(microcontroller unit，MCU)技术及模数转换(analog to digital,A/D)、数模转换(digital to analog,D/A)技术，可准确采集温度传感器信号，并将其转换为温度线性的标准电信号。
本文依据GB/T 3836.4—2021《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》中关联装置本安防爆设计要求[5]设计本安防爆功能。由快速熔丝、齐纳管及限流电阻组成的限能电路，可以限制到达危险区的能量[6]。通过可靠隔离变压器实现供源输入、信号输入和信号输出三端之间可靠隔离[2]，能够防止本安电路与非本安电路之间的击穿，确保本安电路的防爆性能[7]。本设计的温度量输入信号转换模块已通过防爆认证。防爆参数为：Um=250 V;Uo=4.6 V;Io=27.1 mA;Po=31.2 mW;Co=200 μF;Lo=47.8 mH。
为了增强产品的安全可靠性，依据GB/T 20438系列和GB/T 21109系列功能安全标准，对电路进行功能安全设计，并按照功能安全仪表要求进行性能测试。温度量输入信号转换模块视为B类安全相关组件，硬件故障裕度(hardware fault tolerance,HFT)为0。通过对各电路功能块进行失效模式分析，设计硬件和软件相结合的诊断措施，使安全失效分数(safe failure fraction,SFF)达到90%以上，从而符合安全完整性等级SIL2。
2.2 在线诊断功能的实现
通过在故障检测时施加辅助激励电流，对输入回路信号采样，根据温度传感器开路、短路故障时的各个通道采样码值进行判断，实现可靠的故障在线诊断。当检测到故障时，输出预先设定的报警电流，同时通过面板LED灯进行报警指示，以提高温度测量控制系统的可靠性和维护便捷性。输入信号检测与故障诊断电路如图2所示。
图2 输入信号检测与故障诊断电路Fig.2 Input signal detection and fault diagnosis circuit
2.2.1 热电阻传感器故障诊断
以三线制Pt 100为例，热电阻输入时，设置AD1_IN5为电流源输出为200 μA的激励电流。电流流经端子5→RTD →端子8→R37→R38。三线制热电阻输入自动补偿导线电阻的运算式为：
式中：R为所测热电阻阻值；
R0为精密低温漂基准电阻R38的阻值；
(U1-U3)、(U3-U4)分别为图2中U1与U3之间、U3与U4之间的差分采样电压；
U0为基准电阻R38的两端电压，作为A/D的采样参考基准电压。
诊断热电阻传感器故障方法和步骤如下。
①当端子5或端子8连接回路断线时，参考基准电压U0= 0 V，正常信号检测时会得到(U1-U3)采样为满码，诊断为断线故障。
②当端子7连接回路断线时，U3通道输入处于开路状态。此时,(U3-U4)差分电压不稳定，不能据此准确判断是否断线。设置ADS_IN9为电流源输出为20 μA的电流，(U3-U4)采样为满码，表明端子7连接回路断线，诊断为断线故障。检测完毕，关闭ADS_IN9为电流源输出并恢复正常电阻检测。
③若正常电阻检测时运算得到的阻值低于组态预设定值(如Pt100设为15 Ω)，诊断为热电阻短路故障。
2.2.2 热电偶测量故障诊断
测量热电偶输入信号时设置A/D内置基准为采样参考基准，测量冷端补偿电阻Pt100阻值时设置外部基准，即以R38两端电压为采样参考基准。Pt100激励电流路径与2.2.1节中的热电阻输入相同。
①冷端补偿电阻Pt100开路故障：激励电流回路开路，(U1-U4)差分采样为满码，诊断为冷端补偿电阻开路。
②热电偶故障诊断：首先正常采样热电偶输入(U3-U4)信号差分电压u0，然后设置ADS_IN9为电流源输出为20 μA的激励电流经过热电偶回路，并再次采样(U3-U4)信号差分电压u1。若u1为满码，则诊断为热电偶断线。
2.3 EMC抗扰度设计
温度量输入信号转换模块在实际应用中常见的电磁干扰主要是静电放电、射频电磁场辐射、电快速脉冲群、浪涌(冲击)、射频场感应的传导骚扰、0 Hz～150 kHz共模传导骚扰等。解决电磁干扰问题需紧扣电磁干扰源、耦合通道、敏感设备三要素，从设计和应用角度分析，寻求合适的解决方案。通过对模块进行EMC测试研究和试验验证，本文从以下几个方面进行设计。
2.3.1 隔离浮地
如2.1节所述，供源输入、信号输出和信号输入回路之间三端隔离，实现了隔离与浮地，大大提高了共模干扰电流路径的阻抗，相当于切断隔离变压器两侧的低频共模电流路径[8]。隔离浮地设计对抑制浪涌(冲击)、低频共模传导等起到关键作用，对电快速脉冲群干扰、射频场感应的传导干扰也具有很好的抑制效果。
2.3.2 端口防护
端口防护措施主要针对传导干扰，可有效抑制进入模块内部的干扰。信号输入端口电路如图3所示。电流输出端口如图3(a)所示，采用了瞬变电压抑制二极管(transient voltage suppressor,TVS)、电感、电容组合。电源输入端口如图3(b)所示，由于电源端有线-线浪涌(冲击)测试，故采用压敏电阻、电阻、电容、电感、TVS管组合。
图3 端口电路Fig.3 Port circuits
2.3.3 印刷电路板布局与走线
在遵循GB/T 3836.4—2021中关于本质安全电路的电气间隙和爬电距离[5]要求的前提下，从EMC 角度进行优化印刷电路板(printed circuit board，PCB)布局及走线设计。
①端口防护电路应尽量在电感前后形成“隔离带”，再利用电感“架桥”引导干扰电流流过高阻抗电感，从而达到抑制干扰的目的。
②内部敏感电路应尽量与内部干扰源(如晶振、高频数字信号线等)保持距离，并可用地线隔开。
③静电放电防护。器件及敏感信号线与外壳缝隙保持距离5 mm以上，减少静电放电机会。
④铺“地”处理。关键敏感器件(如A/D转换电路、MCU等)下面的PCB尽可能大面积铺“地”，让干扰直接回到信号“地”，减少对器件的干扰。这对抑制辐射干扰很重要。实际上，电快速脉冲群、射频传导、静电放电都有高频分量，并伴有辐射干扰。因此，铺“地”对抑制此类干扰有益。
在测试试验中，对电阻输入的标定和测试方法进行了研究和改进，降低了测试系统的测量不确定度，提高了标定和测试精度。经过全性能测试，本文设计的高性能温度量输入信号转换模块达到预期性能目标。本文仅列举部分关键技术指标的测试结果。
3.1 信号转换传输准确度
3.1.1 提高测试精度的方法研究与改进
要实现0～400 Ω范围热电阻测量A/D误差小于40 mΩ，选用技术性能先进的校验仪MC6作为标定和测试信号源。在0～400 Ω范围内，其最大输出误差指标为±25 mΩ，实测误差最大达到12 mΩ。基于校验仪自身性能稳定，可通过更高等级的仪器进行校准修正，保证其测量不确定度符合测试要求。试验中发现MC6模拟电阻输出时，测试线插头与电阻输出端口之间的接触电阻对标定和测试精度有影响。测试线插头与MC6端口如图4所示。常规插头如图4(a)所示。其中，R1、R2为插头和MC6电阻输出端口之间的接触电阻，实测电阻值为5～15 mΩ。显然，测量系统的不确定度不能满足要求[9]。
图4 测试线插头与MC6端口示意图Fig.4 Schematic diagram of the test lead plug and MC6port
针对上述问题进行改进，基于四线制电阻测量原理设计了一种测试线插头方案。四线制插头如图4(b)所示。其中，R1、R2、R3、R4为插头金属片与MC6电阻输出端口之间的接触电阻。假设激励电流I从导线①流入，沿图4(b)中箭头方向流经电阻温度探测器(resistance temperature detector,RTD)，从导线②流出。因为导线③和导线④回路是测量电压的高阻抗回路，流经电阻R3和R4的电流为零，故测得的电压U与激励电流I之比(U/I)即为信号源模拟输出电阻RTD的阻值，从测试原理上消除了接触电阻的影响。通过八位半数字万用表FLUKE8558A对MC6进行校准修正。修正后标定测试系统的测量不确定度[10]为9 mΩ，满足测试要求。
3.1.2 基本误差
使用改进后的测试系统进行标定和测试。输入输出基本误差试验结果如表1所示。
表1 基本误差试验结果Tab.1 Basic error test results
3.2 环境适应性
环境适应性试验主要测试环境温度影响、相对湿度影响、振动影响[11]。
试验方法依据GB/T 18271.3—2017《过程测量和控制装置通用性能评定方法和程序第3部分：影响量影响的试验》。试验时,模块输入为Pt100(0～200 ℃)，输出为4～20 mA。
环境影响试验结果如表2所示。
表2 环境影响试验结果Tab.2 Environmental impact test results
3.3 EMC性能
按照功能安全仪表的测试项目和试验严酷度要求，本文依据IEC 61326-3-1进行了静电放电、射频电磁场辐射、工频磁场、电快速脉冲群、浪涌(冲击)、射频场感应的传导骚扰、0 Hz～150 kHz共模传导骚扰等EMC抗扰度性能测试。试验时，模块输入为Pt100(0～200 ℃)，输出为4～20 mA 。试验过程中，输出最大变化量均小于1%，符合GB/T 18268.1(IEC 61326-1)性能判据A，以及IEC 61326-3-1功能安全产品性能判据DS。
4.1 热电偶劣化早期诊断
热电偶随着使用时间的推移，会不可避免地出现劣化现象。由于这是一个缓慢的过程，往往在出现比较大的测量误差甚至彻底损坏后才会发现。通过在线监测热电偶回路的直流阻抗变化，诊断出热电偶劣化时给出报警信号，提示用户可以择机进行维护，避免突然损坏、临时停车对生产造成的影响，以及过早更新或频繁检测造成的成本浪费。
4.2 EMC抗扰度设计
EMC性能是目前工业仪表在现场应用可靠性的重要指标。国产产品与国外同类进口产品的EMC性能存在较大差距。本次设计的高性能温度量输入信号转换模块，综合运用隔离、端口防护等EMC设计技术，在EMC抗扰度方面具有出色的性能表现，达到国外同类产品的先进水平。
4.3 高精度热电阻标定与测试方法
市场上校验仪模拟电阻信号输出端口普遍为两线制接口。作为电阻信号源时，如果使用常规的测试线插头，无法消除端口处接触电阻的影响。本文研究设计的测试线插头方案，从测试原理上消除了测试线插头与信号源输出端口之间的接触电阻影响，提高了模块电阻输入时的标定和测试精度。
本文研究、开发的高性能温度量输入信号转换模块，具有本安防爆功能和传感器在线诊断功能，准确度高、环境适应性好、抗干扰能力强、可靠性高，可以满足更高的应用要求，具有广阔的应用前景。经测试试验，本文研究、设计的四线制电阻测试线插头方案有效解决了接触电阻的影响问题，在温度量输入信号转换模块生产标定和检验测试中具有较高的实用价值。
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