新型补偿式温度巡检电路设计 提高温度检测精度

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介绍了一种新型的补偿式温度巡检电路，该电路通过巧妙的设计克服了传统三线制检测方法中测量导线对测量结果的影响，提高了温度检测精度。同时该电路通过分组共享的方式完成对多路温度信号的巡检，降低了温度巡检电路的复杂度和成本。试验数据验证了该检测电路的精确性和实用性。
       
        1引言
       
        温度的检测是通过检测温度传感器的电阻值并对阻值与温度曲线关系进行换算来实现的。为了降低温度巡检电路测量复杂度，工程中常采用三线制测量方法进行温度测量。测量电路示意图如图1所示。
       
       
        Rx1~RxN分别为温度传感器1~N的电阻值。以Rx1测量为例，设连接温度传感器1的三根导线电阻均为RL1，当模拟开关K1闭合时，有：
       
       
        由式（1）可以看出，Rx1的测量精度受到RL1的影响。工程实际中，RL1的值往往不易测量或是不可知的，如果RL1相对与Rx1不能忽略时，则测量结果相对于实际温度传感器的电阻值偏差较大。另外，对于N个温度测量，需要N个恒流源，成本较高。
       
        2 三线制导线压降补偿机理
       
        以采样单个温度传感器电阻值为例，分析三线制导线压降补偿的工作机理。
       
        三线制导线压降补偿电路示意图如图2所示。
       
        Rx为温度传感器电阻值，当模拟开关的片选A1A0=00时，图示的三个开关闭合时，电路对Rx进行测量。从图中可以看出：
       
        由于T1-P2经过模拟开关后送入运算放大器的同相输入端，输入电流很小(<10nA),可忽略不计,即i4=0。
        同理,i3=0,由此可以得出:
       
       
        V3和V4经后端跟随减法及反相电路后得到Vo,计算步骤如下:
         
       
        由于在工程实际中，连接同一个被测温度传感器的三根线材质和长度基本一致，因此有RL0=RL1,从而V8=-I×Rx,最后得到温度传感器的电阻值：
       
         
       
        由上式可见，测量得到的Rx 值不受导线电阻的影响。
         
        从上面的分析可以看出,该检测方法补偿了导线压降,消除了导线电阻对测量电阻的影响,提高了测量精度。
         
        3 巡检功能机理
         
        由图1可以看出，当有N 个被测温度传感器时，传统的温度巡检电路需要N个恒流源。
         
        本文在实现了导线压降补偿提高测量精度的基础上，还提出了新型的巡检电路。
         
        图3是以四个温度传感器为1组进行测量的示意图。
         
       
        Rx1~Rx4为同一组内的四个温度传感器的电阻值，它们共享一个恒流源和一组采集电路。
         
        在t1时刻时，使A1A0=00,这样第1组模拟开关闭合，Rx1被接入采集电路，其它的待测温度传感器与采集电路脱离。恒流源I经Rx1和模拟开关后送到采集电路，恒流源虽然通过G-N 连接到其它电阻的下端，但由于没有形成闭合路径，因此流过Rx1的电流仍为I.按照上节导线压降补偿的测量和分析方法，得到：
         
       
       
        上式中Vo(t1)为Vo 在t1时刻的电压值。通过获得t1时刻的Vo 值，得到Rx1,从而完成对1#温度传感器的测量。同理，当A1A0=01,A1A0=10,A1A0=11时，完成了对2#~4#温度传感器的测量。
         
        由上述分析看出，在采样率满足要求的前提下，可采用8选1或16选1的多路模拟开关，这样每8个或16个温度传感器为一组，共享1个恒流源电路和1组采集电路，很大程度上节约了电路资源?降低了电路复杂度和成本。
       
       
        4 新型补偿式温度巡检电路的工程实现
         
        图4为四个温度传感器为一组的补偿式温度巡检电路的详细设计，本设计中模拟开关采用两组4选1的多路模拟开关ADG409,恒流源的产生采用恒压源 ADR291(2.5V电压输出)+运算放大器方式产生恒流I=2.5V/R12=2.5mA.MCU通过控制模拟开关的片选A1和A0来完成对 1#~4#温度传感器的测量，测量值Vo 通过ADC后送入到MCU进行温度拟合与换算。
       
       
        5 设计中几个问题的解决
       
        1）开关切换过程处理
       
        由于多路模拟开关在通道切换瞬间，所有开关均断开，这样使得两个电压跟随电路的输入端悬空，其输出端电压不稳。因此设计中增加了电容器C5，组成了积分电路，消除开关切换的影响。
       
        2）开关导通电阻影响的消除
       
        一般模拟量开关导通电阻在几十至一百欧姆左右，与温度传感器的电阻相当，因此必须考虑开关电阻的影响。
       
        图2中，V3的取值在RON2的后端，而不是直接连接RON1的后端，虽然增加了1个开关RON2，但是此时V3=V1-RON2×0=V1，而不是V3=V1-RON1×I=V1，从而消除了开关导通电阻影响。
       
        6 试验验证
       
        采用上述巡检电路后的实际设备对某型电机磁体温度进行了现场试验测试和对比，试验数据见表1.
       
        由试验数据可以看出，该温度巡检电路具有较高的精度（多数情况下误差&le;0.033%，个别测量点误差&le;0.167%）。
       
        7 结语
       
        通过前述分析及最终试验结果看，该新型补偿式温度巡检电路具有测量精度高复杂度低成本低等优点，该电路已被成功应用于多个温度检测的工业场合，在温度检测中具有广泛的应用前景。