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带HART的4-20mA环路供电温度传感器简介CMOS模拟开关

时间:2019-03-04 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
温度是工业过程控制和自动化中最广泛测量的参数之一。该参考设计提供了完整的信号链解决方案,适用于从PT100到PT1000的任何类型的RTD。Novato PT100 2线制环路供电智能温度变送器确保了低功耗,易于使用,可靠的温度测量解决方案,温度范围为-200°C至+ 850°C,精度优于0.1%或1.0°C ,在整个操作范围内,以更准确的方式。

4-20mA环路供电智能传感器变送器参考设计特点:
2线,3线或4线RTD传感器输入
测量-200°C至+ 850°C的温度范围
-40°C至+ 85°C的工作范围
0.03°C温度分辨率
在+ 23°C时,误差<0.05%或±0.2°C(以较大者为准)
<0.1%跨度误差或±1.0°C超出工作范围
12V至40V电源电压范围
200μARTD励磁电流
自动补偿3线RTD的线电阻
4-20mA电流环输出
10Ω至1kΩ环路负载
高速可寻址远程传感器(HART)通信协议要求最小负载为230Ω
传感器烧坏检测
NAMUR向下刻度:<3.2mA 
NAMUR向上刻度:可编程从20.5mA到> 24mA
回路电流限制器:30mA±5mA
HART协议兼容

详细说明
4-20mA环路供电智能传感器变送器的框图如图1所示

图1. 4-20mA环路供电温度传感器框图。

具有可编程增益和GPIO的16位delta-sigma ADC,带有128kB闪存(U2)的RL78 / G13瑞萨微控制器,以及基于MAX5216的4-20mA电流环路发送器和1.5MHz运算放大器(U3和U4)。该调制解调器(U7)提供了利用HART协议在4-20mA电流环路的数字接口。该超低静态电流线性稳压器(U6)和低压差电压基准器(U5)到整个电路提供电源和参考电压。
 
该设计根据ADC传递函数(公式1和公式2)使用传感器电阻的比率测量:
ADCcode =((V AINP - V AINN))/(V REF /增益)×(2 16 - 1) (等式1)
哪里
(V AINP - V AINN)= I RTD ×R RTD是RTD上的电压降,
V REF = I RTD ×R REF是参考电阻R REF上的电压降
公式1可以改写为:
 
ADCcode = R RTD /(R REF / gain)×(2 16 - 1) (等式2)
然后根据Callendar-Van Dusen方程(方程3)将ADC代码转换为温度数据:
R(T)= R 0(1 + A×T + B×T 2 - 100×C×T 3 + C×T 4) (等式3)
哪里
R(T)是温度T(°C)时的RTD电阻
R 0是0°C时的RTD电阻
A,B和C常数来自实验确定的参数,并由IEC751标准规定; 它们也必须由RTD制造商提供
对于PT100和电阻温度系数:α = 0.003850 [ α =(R 100 - R 0)/(100×R 0)]
A = 3.90830×10 -3
B = -5.77500×10 -7
对于-200° C≤C≤0 °C, C = 4.18301×10 -12
C = 0表示0°C≤T≤850°C。

如果我们忽略负温度系数C = 4.18301×10 -12(方程4),则可以通过求解二次方程来计算温度T :
T(°C)=(-A +√(A 2 - 4B(1 - R RTD / R 0)))/ 2B (等式4)
哪里
R RTD =(ADCcode×R REF)/((2 16 - 1)×增益)

之后,使用等式Eq将温度转换为4-20mA回路电流。5:
DACcode = 4mAcode +(20mAcode - 4mAcode)/(Tmax - Tmin)×(T - Tmin) (等式5)

因此,回路电流与温度(T)成比例。
MAX11213 ADC允许通过在校准过程中测量该电阻并连续从每个转换结果中减去该值来自动补偿传感器线电阻。线电阻补偿技术是一个称为系统偏移校准的过程。
在正常操作中,ADC测量连接器J1的点2和3之间的电压降,参见图2。对于失调校准,CMOS模拟开关器切换到NO(常开)位置,ADC测量连接器J1的点1和2之间的电压。换句话说,ADC测量导线电阻并自动将该值存储到系统偏移校准寄存器中。


图2.使用MAX4729多路复用器测量传感器的导线。

中央控制单元(CCU)或可编程逻辑控制器(PLC)可以使用Eq将环路电流转换回温度。6:
T(℃)=((Tmax -Tmin))/ 16×(I LOOP -20)+ Tmax (等式6)
哪里
Tmax是以℃计的最大测量温度
Tmin是以℃计的最小测量温度
I LOOP是以mA为单位的测量回路电流。
环路供电温度传感器(MAXREFDES16#)智能传感器发送器板装有固件,支持从PT100到PT1000的任何RTD。可以在校准期间选择正确的传感器。

环路供电温度传感器校准程序和软件
使用支持的环路供电温度传感器校准软件和USB-to-UART编程适配器,可轻松校准传感器,如图3所示。
 

图3. Novato USB-to-UART编程适配器。


图4.环路供电温度智能传感器变送器。


编程适配器通过USB端口连接到PC,并通过2线UART接口连接到环路供电温度传感器板J4接头,如图4所示。
将环路供电温度传感器板连接到4-20mA电流回路,并根据图1中的框图提供电源。