新型補償式溫度巡檢電路設(shè)計 提高溫度檢測精度

介紹了一種新型的補償式溫度巡檢電路，該電路通過巧妙的設(shè)計克服了傳統(tǒng)三線制檢測方法中測量導線對測量結(jié)果的影響，提高了溫度檢測精度。同時該電路通過分組共享的方式完成對多路溫度信號的巡檢，降低了溫度巡檢電路的復雜度和成本。試驗數(shù)據(jù)驗證了該檢測電路的精確性和實用性。

1引言

溫度的檢測是通過檢測溫度傳感器的電阻值并對阻值與溫度曲線關(guān)系進行換算來實現(xiàn)的。為了降低溫度巡檢電路測量復雜度，工程中常采用三線制測量方法進行溫度測量。測量電路示意圖如圖1所示。

Rx1~RxN分別為溫度傳感器1~N的電阻值。以Rx1測量為例，設(shè)連接溫度傳感器1的三根導線電阻均為RL1，當模擬開關(guān)K1閉合時，有：

由式（1）可以看出，Rx1的測量精度受到RL1的影響。工程實際中，RL1的值往往不易測量或是不可知的，如果RL1相對與Rx1不能忽略時，則測量結(jié)果相對于實際溫度傳感器的電阻值偏差較大。另外，對于N個溫度測量，需要N個恒流源，成本較高。

2 三線制導線壓降補償機理

以采樣單個溫度傳感器電阻值為例，分析三線制導線壓降補償?shù)墓ぷ鳈C理。

三線制導線壓降補償電路示意圖如圖2所示。

Rx為溫度傳感器電阻值，當模擬開關(guān)的片選A1A0=00時，圖示的三個開關(guān)閉合時，電路對Rx進行測量。從圖中可以看出：

由于T1-P2經(jīng)過模擬開關(guān)后送入運算放大器的同相輸入端，輸入電流很小(10nA),可忽略不計,即i4=0。

同理,i3=0,由此可以得出:

V3和V4經(jīng)后端跟隨?減法及反相電路后得到Vo,計算步驟如下:

由于在工程實際中，連接同一個被測溫度傳感器的三根線材質(zhì)和長度基本一致，因此有RL0=RL1,從而V8=-I×Rx,最后得到溫度傳感器的電阻值：

由上式可見，測量得到的Rx 值不受導線電阻的影響。

從上面的分析可以看出,該檢測方法補償了導線壓降,消除了導線電阻對測量電阻的影響,提高了測量精度。

3 巡檢功能機理

由圖1可以看出，當有N 個被測溫度傳感器時，傳統(tǒng)的溫度巡檢電路需要N個恒流源。

本文在實現(xiàn)了導線壓降補償提高測量精度的基礎(chǔ)上，還提出了新型的巡檢電路。

圖3是以四個溫度傳感器為1組進行測量的示意圖。

Rx1~Rx4為同一組內(nèi)的四個溫度傳感器的電阻值，它們共享一個恒流源和一組采集電路。

在t1時刻時，使A1A0=00,這樣第1組模擬開關(guān)閉合，Rx1被接入采集電路，其它的待測溫度傳感器與采集電路脫離。恒流源I經(jīng)Rx1和模擬開關(guān)后送到采集電路，恒流源雖然通過G-N 連接到其它電阻的下端，但由于沒有形成閉合路徑，因此流過Rx1的電流仍為I.按照上節(jié)導線壓降補償?shù)臏y量和分析方法，得到：

上式中Vo(t1)為Vo 在t1時刻的電壓值。通過獲得t1時刻的Vo 值，得到Rx1,從而完成對1#溫度傳感器的測量。同理，當A1A0=01,A1A0=10,A1A0=11時，完成了對2#~4#溫度傳感器的測量。

由上述分析看出，在采樣率滿足要求的前提下，可采用8選1或16選1的多路模擬開關(guān)，這樣每8個或16個溫度傳感器為一組，共享1個恒流源電路和1組采集電路，很大程度上節(jié)約了電路資源?降低了電路復雜度和成本。


4 新型補償式溫度巡檢電路的工程實現(xiàn)

圖4為四個溫度傳感器為一組的補償式溫度巡檢電路的詳細設(shè)計，本設(shè)計中模擬開關(guān)采用兩組4選1的多路模擬開關(guān)ADG409,恒流源的產(chǎn)生采用恒壓源 ADR291(2.5V電壓輸出)+運算放大器方式產(chǎn)生恒流I=2.5V/R12=2.5mA.MCU通過控制模擬開關(guān)的片選A1和A0來完成對 1#~4#溫度傳感器的測量，測量值Vo 通過ADC后送入到MCU進行溫度擬合與換算。

5 設(shè)計中幾個問題的解決

1）開關(guān)切換過程處理

由于多路模擬開關(guān)在通道切換瞬間，所有開關(guān)均斷開，這樣使得兩個電壓跟隨電路的輸入端懸空，其輸出端電壓不穩(wěn)。因此設(shè)計中增加了電容器C5，組成了積分電路，消除開關(guān)切換的影響。

2）開關(guān)導通電阻影響的消除

一般模擬量開關(guān)導通電阻在幾十至一百歐姆左右，與溫度傳感器的電阻相當，因此必須考慮開關(guān)電阻的影響。

圖2中，V3的取值在RON2的后端，而不是直接連接RON1的后端，雖然增加了1個開關(guān)RON2，但是此時V3=V1-RON2×0=V1，而不是V3=V1-RON1×I=V1，從而消除了開關(guān)導通電阻影響。

6 試驗驗證

采用上述巡檢電路后的實際設(shè)備對某型電機磁體溫度進行了現(xiàn)場試驗測試和對比，試驗數(shù)據(jù)見表1.

由試驗數(shù)據(jù)可以看出，該溫度巡檢電路具有較高的精度（多數(shù)情況下誤差≤0.033%，個別測量點誤差≤0.167%）。

7 結(jié)語

通過前述分析及最終試驗結(jié)果看，該新型補償式溫度巡檢電路具有測量精度高復雜度低成本低等優(yōu)點，該電路已被成功應(yīng)用于多個溫度檢測的工業(yè)場合，在溫度檢測中具有廣泛的應(yīng)用前景。