基于改進(jìn)的雙斜坡積分等技術(shù)的大跨度電阻兼容測溫方法

王 華，鄧 軍

(中國水利水電第七工程局有限公司試驗(yàn)檢測研究院，成都 611730)

0 前 言

目前，用于混凝土溫度監(jiān)測的傳感器主要有：CU50、PT1000、3 kΩ熱敏電阻，這些類型的傳感器的電阻值變化從55 Ω～200 kΩ值范圍過大，各廠家分別用不同的讀數(shù)儀采集測量值，不僅費(fèi)用高，而且在使用過程中要帶多臺讀數(shù)儀，不方便工作。若用同一采集儀兼容測讀，設(shè)備穩(wěn)定性問題比較難解決，同時采集精度很難保證。

由于這幾種傳感器的阻值是從幾十歐姆到幾千歐，阻值跨度比較大，在測量的過程中使A/D模塊測得的數(shù)據(jù)出現(xiàn)非線性，所得數(shù)據(jù)呈數(shù)量級偏差。要想同時兼顧測量不同阻值的溫度傳感器，可通過增加設(shè)計(jì)合理的雙斜坡積分電路實(shí)現(xiàn)測值線性，附以合并使用電解、電瓷式電容消除高、低頻干擾，及用二極管、電阻分壓，用穩(wěn)流源保證小電阻測值等手段實(shí)現(xiàn)大跨度電阻兼容測量，從而有效保證測量精度、采集儀穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性。

1 大體積混凝土常用的3種溫度傳感器

1.1 銅電阻

在測溫精度要求不高、測溫范圍較小的情況下，可采用銅電阻[1-2]溫度傳感器。在-50～150 ℃(常用的-3～70 ℃)的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度成線性關(guān)系，其電阻與溫度關(guān)系：

Rt=R0(1+At)

(1)

式中:R0、Rt分別為溫度0及t時鉑電阻的電阻值；t為任意溫度;A為銅電阻的溫度系數(shù),A=4.25×10-3～4.28×10-3℃ 。

1.2 鉑電阻

鉑電阻[2]與溫度之間的關(guān)系接近于線性，在不同的溫度區(qū)間，分為如下2種關(guān)系：

在0～630.74 ℃范圍內(nèi)可表示為:

Rt=R0(1+At+Bt2)

(2)

在-190～0 ℃范圍內(nèi)為：

Rt=R0(1+At+Bt2十Ct3)

(3)

式中：R0、Rt為溫度0及t時鉑電阻的電阻值；t為任意溫度;A、B、C為溫度系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，A=3.9×10-3℃，B=-5.847×10-7℃，C=-4.22×10-12℃。由式(2)和式(3)看出，當(dāng)R0值不同時，在同樣溫度下，其Rt值也不同。

1.3 熱敏電阻

除了CU50和PT1000之外還有一種熱敏電阻式傳感器(25 ℃電阻是3 kΩ)應(yīng)用甚為廣泛，它的計(jì)算公式：

(4)

式中：T為攝氏溫度，℃；R為溫度傳感器電阻值，Ω；LnR為半導(dǎo)體溫度計(jì)阻值自然對數(shù);A=1.4051×10-3(系數(shù)在-50～150 ℃內(nèi)有效)，B=2.369×10-4，C=1.019×10-7。

通過以上3種傳感器的計(jì)算公式可得：雖然都是線性關(guān)系，但是隨著溫度范圍的增大，阻值范圍不斷的變化，線性常數(shù)也在變化，這就要求使用不同量程的采集儀采集數(shù)據(jù)，方能保證測量精度和準(zhǔn)確性。實(shí)現(xiàn)采用同一種采集儀兼容測量3種傳感器需要解決階梯段線性變化問題，《拆分式迷你多功能混凝土溫度智能在線監(jiān)系統(tǒng)控研制與應(yīng)用》[3-4]中引入雙斜坡積分解決模擬量與數(shù)字量轉(zhuǎn)換問題，用改良后的雙斜坡積分解決小阻值的精確捕捉及與大阻值兼容測讀，有效解決階梯線性變化問題，同時加入多種電容、穩(wěn)流源等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、確保精度。

2 積分型ADC及其原理

積分型ADC[5-6]是一種模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，是通過使用積分器將未知的輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字，用具體數(shù)值來表示，電路如圖1所示。

圖1 積分型ADC原理圖

該電路最基本的功能之一：將未知的輸入電壓施加在積分器的輸入端，并持續(xù)一個固定的時間段(命名為：上升階段)；再把一個已知的反向電壓施加到積分器，持續(xù)到積分器輸出歸零(命名為：下降階段)?？梢缘玫剑狠斎腚妷旱挠?jì)算結(jié)果實(shí)際上是參考電壓的一個函數(shù)。設(shè)定：定時上升階段時間為tu和測得的下降階段時間為td。

在實(shí)際使用中，為了使積分器向相反方向積分，需要參考電壓與被測電壓的極性相反。一般設(shè)定為：參考電壓為負(fù)，被測電壓為正。

積分器輸出的基本公式(假設(shè)是恒定輸入量)：

(4)

式中：V為電壓；R為電阻；C為電容；t為溫度。

假定：在每個轉(zhuǎn)換過程的初始電壓都為零，積分器在下降階段結(jié)束后的輸出電壓也是零，可以用式(5)、(6)來表示積分器上升和下降2段的輸出：

(5)

(6)

由式(5)、(6)解得Vin，即被測電壓為：

(7)

由此可見，雙斜坡積分ADC的好處之一是：測量結(jié)果與電路中的元器件的值(電阻R和電容C)無關(guān)。難道R和C在雙斜坡積分中不重要？恰恰相反，電路中R和C決定了充放電時間和電壓。根據(jù)實(shí)際情況，使用者通過匹配不同電阻值，來調(diào)節(jié)充放電曲線斜率，從而達(dá)到縮短上升時間、延長下降時間，讓采集儀有充分的時間感知信號，從而保證測值的準(zhǔn)確性和精度。

如圖2所示，如果需要采集的電壓比較低，則會造成一定時間后C上充得的電壓也比較低，而且上升時間較長，放電時間非常短。這一點(diǎn)，對時間精度要求較高的采集，會造成弱電壓采集，致使測值不精準(zhǔn)、誤差大。若想節(jié)約上升時間，只要減小輸入電阻值，就可以提高C的充電積累速度，即：積累等量的電荷，耗時更短。

圖2 改進(jìn)的雙斜坡原理圖

通過調(diào)節(jié)R的大小來控制充放電時間。對于弱電壓串接小電阻值能夠保證C在較短時間內(nèi)充得足夠的電壓、高電壓串接大電阻值保證C不會因?yàn)槌潆娺^快充滿，從而實(shí)現(xiàn)充電時間上的均衡，而放電時通過匹配不同阻值的電阻，可控制放電時間在采集精度范圍內(nèi)不僅給予充分的采集時間而且不會耗費(fèi)太多采集時間。在下降過程中使用同樣的算法，可得到下面的公式：

(8)

式中：V為電壓；R為電阻；t為溫度。

以上說明：基本的雙斜坡積分型ADC的設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)換速度和分辨率方面的限制，而改進(jìn)后的雙斜坡ADC充分改善了基本電路的弊端?？赏ㄟ^匹配不同的電阻值來調(diào)節(jié)充放電時間，提供足夠時間感知信號變化，準(zhǔn)確捕捉信號量，保證測值精準(zhǔn)真實(shí)。這樣既保證了像25 kΩ這樣的大電阻被準(zhǔn)確測量，也保證了CU50、PT1000這樣的小電阻被準(zhǔn)確感知，從而有效實(shí)現(xiàn)大跨度電阻兼容測溫。

3 電解電容與電瓷電容合并使用

電解電容與電瓷電容合并使用消除高低頻干擾，保證測量精度，電感和二極管穩(wěn)流及防止反流保證電路穩(wěn)定。

(1) 拆分式迷你多功能混凝土溫度智能在線監(jiān)控供電系統(tǒng)主板穩(wěn)壓[7]供電電路(獲國家實(shí)用新型發(fā)明專利，專利號：ZL 2016 2 0621850.8)見圖3。

圖3 主機(jī)供電系統(tǒng)主板穩(wěn)壓供電電路圖

該電路為拆分式迷你多功能混凝土溫度智能在線監(jiān)控提供了穩(wěn)定輸出、防反接、防短路的供電系統(tǒng)主板穩(wěn)壓供電電路。

本電路主要包括：二極管D1、自恢復(fù)保險絲RTC1、電容C1、電容C2、穩(wěn)壓芯片V1、二極管D2和電感L1；二極管D1的正極連接輸入電源，二極管D1的負(fù)極通過自恢復(fù)保險絲RTC1與穩(wěn)壓芯片V1的電壓輸入引腳相連，電容C1與第二電容C2并聯(lián)于自恢復(fù)保險絲RTC1與穩(wěn)壓芯片V1之間，電容C1與電容C2共地；穩(wěn)壓芯片V1的GND引腳和開/關(guān)引腳分別接地，穩(wěn)壓芯片V1的電壓輸出引腳通過電感L1輸出電壓VCC，二極管D2的負(fù)極并聯(lián)于穩(wěn)壓芯片V1與電感L1的公共連接點(diǎn)上，二極管D2的正極接地，穩(wěn)壓芯片V1的反饋引腳與輸出電壓VCC連接。

本電路還包括電容C3和電容C4，同時C3、C4并聯(lián)于電感L1與輸出電壓VCC之間，電容C3與C4共地。電容C1、C3采用電解電容，C2、C4采用瓷片電容。

該電路的有益效果是：

1) 采用LM2576穩(wěn)壓芯片，能夠驅(qū)動3 A的負(fù)載，有良好的線性和負(fù)載調(diào)整能力；

2) 二極管D1可防止輸入電壓正負(fù)反接而引起電路燒毀；

3) 自恢復(fù)保險絲RTC1可防止電路短路而引起輸入電源(蓄電瓶)損壞；

4) 電容C1與C2對輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓濾波，有去耦和蓄能的作用，使輸入電壓更穩(wěn)定；

5) 二極管D2作為電路的電流反向保護(hù)，電感L1濾波使輸出穩(wěn)定直流電，外加2個電容(C3、C4)濾波、去耦和蓄能，防止電源攜帶的噪聲對電路構(gòu)成干擾。

在本電路中，輸入及輸出部分均采用電解電容和瓷片電容并聯(lián)方式。電解電容對低頻干擾濾波去耦能力強(qiáng)，卻對高頻干擾濾波去耦能力差；而瓷片電容對高頻電流吸收效果很好。瓷片電容的特點(diǎn)是造價非常高、容量不能太大，不適合單獨(dú)使用。因此將2種電容并聯(lián)使用，取長補(bǔ)短，有效消除高低頻干擾，效果更好，保證測量精度。

(2) 雙電容用于A/D模塊穩(wěn)壓電路，確保測量精度與系統(tǒng)穩(wěn)定

A/D模塊穩(wěn)壓電路[5]采用L7809三端穩(wěn)壓集成穩(wěn)壓管，內(nèi)置有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，可靠耐用。12 V輸入電源加電解電容C191和電瓷電容C192用以濾波儲能，使輸入更加穩(wěn)定，輸出外加電容C193用以過濾內(nèi)部噪音，為電路的A/D模塊部分提供穩(wěn)定的9 V電源。輸入部分采用電解電容和瓷片電容并聯(lián)方式，對高低頻干擾進(jìn)行過濾提供穩(wěn)定的電壓，為測量精確度提供保障。

圖4 加入2種電容的A/D穩(wěn)壓原理圖

4 DC-DC電源模塊

DC-DC電源模塊DY05D0505被使用在選擇通道的DC-DC電源模塊上[8]，為DC-DC電源模塊的斷開提供驅(qū)動電壓、隔離電路，使前端電路電壓與后端電壓互不影響，保證電路更加穩(wěn)定可靠(見圖5)。輸入端加電容用于濾波，加自恢復(fù)保險絲可防止器件短路而毀壞電源。電壓輸出端濾波電容對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓濾波，具有去耦和蓄能的作用，使輸入電壓穩(wěn)定；濾波電容兩端并聯(lián)的泄放電阻可以在電路停止工作時“泄放”掉濾波電容里面存放的電能，以免故障和事故的發(fā)生。

圖5 新型DC-DC電源模塊電路原理圖

5 新技術(shù)測值比對

在《拆分式迷你多功能混凝土溫度智能在線監(jiān)控研制與應(yīng)用》加入以上新技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)CU50、PT1000、3 k熱敏電阻兼容3種傳感器兼容測讀，不僅減少讀數(shù)儀總數(shù)量的投入，在降低勞動成本的同時有效保障測讀參數(shù)的準(zhǔn)確性，測值均在誤差標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。3種傳感器測值對比見表1～3。

表1 CU50銅電阻檢測數(shù)據(jù)表

注：設(shè)備型號QJ-1，編號16411，環(huán)境溫度23 ℃、濕度69%。

表2 Pt1000鉑電阻檢測數(shù)據(jù)表

注：設(shè)備型號QJ-1，編號16411，環(huán)境溫度23 ℃、濕度69%。

6 結(jié) 語

在《拆分式迷你多功能混凝土溫度智能在線監(jiān)控系統(tǒng)研制與應(yīng)用》研究中，有效運(yùn)用改進(jìn)的雙斜坡積分實(shí)現(xiàn)大跨度電阻測量，用電解電容與電瓷電容合并使用消除高低頻干擾保證測量精度，加入穩(wěn)流源、DC-DC驅(qū)動，確保電路穩(wěn)定、安全，開拓性實(shí)現(xiàn)大跨度電阻兼容，不但方便測量，而且節(jié)約設(shè)備制造成本。

表3 3k熱敏電阻檢測數(shù)據(jù)表

注：設(shè)備型號QJ-1，編號16411，環(huán)境溫度23 ℃、濕度69%。以工程常用的溫度區(qū)間(-30～70 ℃)為例。