一种基于现场总线的热电偶测量模块及其测量方法技术

本发明专利技术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。

A thermocouple measurement module based on Fieldbus and its measurement method

【技术实现步骤摘要】
一种基于现场总线的热电偶测量模块及其测量方法
本专利技术涉及工业总线领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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-VanDusen公式温度t<0℃公式为：Rrtd(t)＝R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]温度t≥0℃公式为：Rrtd(t)＝R0(1+At+Bt2)式中：t为RTD温度(℃)Rrtd(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+....ciEi式中：E为热电电压(uV)；t90为热电偶实际测量温度(℃)；Ci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[Xi,Xi+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。本专利技术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是本专利技术原理框图；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专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于现场总线的热电偶测量模块，其特征在于：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，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于现场总线的热电偶测量模块，其特征在于：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，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。


2.根据权利要求1所述的一种基于现场总线的热电偶测量模块，其特征在于：所述处理器还通过IO隔离单元与多路模拟开关电连接。


3.根据权利要求1或2所述的一种基于现场总线的热电偶测量模块，其特征在于：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。


4.根据权利要求1所述的一种基于现场总线的热电偶测量模块，其特征在于：所述处理器型号为STM32F407，所述以太网交换机型号为LAN9303。


5.根据权利要求3所述的一种基于现场总线的热电偶测量模块，其特征在于：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。


6.根据权利要求5所述的一种基于现场总线的热电偶测量模块，其特征在于：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。


7.一种上述权利要求1-6中任意所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-VanDusen公式，
温度t<0℃公式为：
Rrtd(t)＝R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]
温度t...

【专利技术属性】
技术研发人员：李武库，高海涛，李涛，刘文英，
申请(专利权)人：天津吉诺科技有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12