新型船用测温装置的研制

引言
舰船航行时需要对主、副轴承温度及主机轴瓦、滑油、淡/海水出口等温度进行实时监测。此前，许多国产舰船采用PCW-208A型船用数字式8点测温装置和JK-88J-W型船用20点测温装置进行温度监测，但这些装置使用一段时间后测温的误差会变大，经常误报警，且很难进行调试，从而给舰船的温度监测工作造成困难。为此，本文设计了采用PIC单片机作为控制单元的一种新型舰用数字测温装置，具有定点和巡回检测显示、超温报警及故障自动诊断等功能。针对舰船环境条件差、现场干扰强以及测温距离远等特点，采用温度－电流变送技术和有效的线性补偿措施，提高了温度测量的。

系统组成
舰船上对主机、大轴等的温度测量，属于远距离的多点温度测量。新型舰用测温装置以PIC单片机为，配以信号输入转换电路及按键与显示接口电路等组成主控电路。采用Pt100型铂热电阻作为温度传感器，并通过信号变送器在现场转换为4~20mA的电流信号后传送，以实现远距离温度检测。系统的组成框图如图1所示，主要包括主控装置、温度传感器、信号变送器和连接电缆四部分。其中主控装置用于温度显示和报警，并可进行参数设定和系统标校等操作，采用PIC14000微处理器作为中央控制单元。PIC系列单片机内置有程序监测电路，使用过程中能保证软件程序可靠运行，解决了一般微处理器的程序“漂移”问题。而且PIC单片机独特的结构和精简的指令集可以缩短开发周期，降低研制成本。
主控装置中的电源电路用于将交流220V的舰船电源转换为直流±5V和＋24V的电源，分别作为控制电路和温度传感器与变送器的电源；绝缘监测报警电路用于监测各路传感器的接线是否断路、短路或绝缘性是否降低；信号输入转换电路用于对温度电流信号进行采样，转换为电压信号并滤波，然后经多选一模拟转换开关(CD4051)完成通路选择，直接送入PIC单片机进行A/D转换。由于PIC单片机本身只带有EPROM，因而采用一片外部E2PROM(24LC01)作为数据存储器保存各种参数，用于标定系统、校正测量结果等，它与CPU之间通过两根线进行串行通信，调节过程由按钮完成。此外，主控装置中还包括参数调节电路、温度数字显示电路和声光报警电路等。
温度传感器采用Pt100型铂热电阻(RTD)。信号变送器用于将RTD电阻值随温度的变化量转换成电流信号，实现远距离的信号传送。传统的测温电桥是将RTD电阻值随温度的变化量转换成电压信号，由于RTD的电阻分度数很小(Pt100的分度数只有0.390802W/℃)，因此在温度－电压信号测量系统中，线路电阻(包括连接电缆电阻和接插件电阻)对测量的影响很大，特别是线路电阻中的接插件电阻，由于插拔和接触面氧化等原因，使得由此引起的测温误差无法消除。本文提出的温度－电流信号变送方案，不但可以从根本上解决这一问题，而且还可以对RTD电阻值随温度的变化量进行线性补偿，提高测量。

关键技术
信号变送器电路设计
信号变送器相当于一个受RTD阻值控制的受控电流源，该电流的大小仅与温度有关，而与传输线的电阻无关。
信号变送电路的是XTR105芯片，它是美国ＢＢ公司生产的、用于温度检测系统中的一种温度—电流变送芯片，具有外围电路简单、可对RTD线性化及抗干扰能力强等特点。采用XTR105芯片组成的信号变送电路如图2所示。
图中VP为+24V的传感器电源，变送器输出的电流经过一个取样电阻RL而变为电压信号V0。输出电流I0的大小只与RTD电阻值有关，而与线路电阻和RL无关(RL在一定范围内)。
XTR105中有两个0.8mA精密电流源对RTD进行激励，RZ为调零电阻，通过调节RZ的阻值可使XTR105在温度下输出4mA电流。RCM给XTR105提供一个共模电压，其两端并上一个0.01mF电容以减小噪声。RLIN1提供一个正反馈，用于对RTD电阻中的二次项进行补偿。电阻RG根据设计的测温范围而设定，它决定了放大器的放大倍数。三极管Q1是4~20mA电流回路中主要的电流传导部件，该器件将外部电源电流与XTR105的内部消耗严格地分开。由于外接三极管是位于反馈回路中的，其参数不能在零界点上，所以要求VCEO不得低于45V，bmin=40，PD=800mW。信号变送器的电压、电流传递函数为：
I0=4mA+VIN(40/RG)
式中VIN为VIN+、VIN-两端的输入电压。
因实际电路中的元件参数值与标称值间存在容差，为获得较理想的温度－电流变送特性，一般RZ和RG的阻值要在公式计算的基础上再通过实验调节确定。舰用测温装置所设计的测温范围为0~100℃(Pt100相应的阻值范围为100~138.5W)，具体调节时，先令RTD阻值为100W，调节RZ的大小(见图2)，使输出电流为4mA；再令RTD阻值为138.5W，调节RG的大小，使输出电流为20mA。由于每一个变送器电路元件的参数有一定的离散性，RZ的值分布在100.1W~100.5W之间，RG的值分布在82.1W~82.5W之间，如果采用电位器来代替这两个电阻，又会影响变送器的可靠性和稳定性。因此，本文采用配电阻的方法，即由4个不同的标称电阻配成一个相对任意的精密电阻。
RTD的非线性校正
RTD电阻值随温度的变化并非为严格的线性关系。通过给恒电流激励的RTD并联一个负电阻能起到减小非线性的作用。温度－电流变送器电路中的RLIN1即相当于一个负电阻的作用，由于RLIN1是置于一个运放的正反馈回路(XTR105内部电路)上的，它提供一个正反馈，可以使RTD的非线性大大改善，改善后的非线性可由原来的4%减小到0.5%。经过硬件电路的补偿后，RTD的非线性误差大大减小。剩余0.5%的非线性误差可以方便地通过软件来抵消。由于温度电流测量值I测与温度电流实际值I实之间近似满足以下关系：

在本软件设计中，通过采用插值方法根据已知测量值I测来求实际值I实。经过软件进一步抵消后，非线性可以控制在0.1%以内，测温达±0.2℃。
可靠性设计与抗干扰措施
PIC系列单片机内部自带看门狗电路，提高了软件运行的可靠性。为确保测温装置可靠工作，新型舰用测温装置还设计了绝缘监测报警电路。此外，在硬件设计上还采取了以下抗干扰措施：采用稳定性好、抗干扰能力强的集成脉宽调制开关稳压电源，以减少电压波动的影响；输入信号经过RC滤波电路后再采样，以抑制交流干扰；电缆传输线采用屏蔽和接地技术来抑制电磁干扰等。
软件抗干扰措施主要有：对采样数据进行去极值平均滤波；对开关量信号3次重复采集，直至结果完全一致方为有效，而不能采用平均法，必须一致；采用指令冗余技术：当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起混乱，特别是对于双字节和三字节指令，出错的机会更大。因此尽量采用单字节指令，并在关键的地方插入一些单字节指令(NOP)或将有效单字节指令重复书写。指令冗余无疑会降低系统的效率，但在绝大多数情况下，CPU还是能够承受的。此外，还采用了软件陷阱技术：指令冗余使弹飞的程序安定下来是有条件的，首先，弹飞的程序必须落到程序区，其次，必须执行到冗余指令。而软件陷阱就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个出错处理程序。为了加强其捕捉效果，一般在它面前加两条NOP指令。软件陷阱一般安排在未使用的中断向量区、未使用的大片ROM空间、表格和程序区等地方。

应用情况
新型舰用测温装置(包括8点和20点两种型号)已通过鉴定，现已广泛应用于多型舰船上。实际运行的结果表明，该装置稳定可靠，抗干扰能力强、故障率低、温度测量高。■

参考文献

[1]. Pt100 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Pt100_1196170.html.
[2]. PIC14000 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PIC14000_1057933.html.
[3]. EPROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EPROM_1128137.html.
[4]. RTD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RTD_1187245.html.
[5]. XTR105 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/XTR105_729469.html.
[6]. 45V datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/45V_745351.html.
[7].杨宣访,卜乐平.《舰船数字式多点测温装置改进研究》鉴定材料[R].海军工程大学，2002
[8].吴新杰,关建新.铂电阻线性化测温电路原理分析[J].仪表技术与传感器,1999,(1):15-17.
[9].何坚强.微机温度检测系统的干扰及抗干扰问题[J].电子·仪器仪表用户. 1997,(1):37-38