【導(dǎo)讀】在工業(yè)應(yīng)用中，常用熱電阻測(cè)量設(shè)備的工作溫度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。若測(cè)溫系統(tǒng)異常，會(huì)直接增大工業(yè)設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何保障測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的有效監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。
熱電阻測(cè)溫具有測(cè)溫范圍大、精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)測(cè)溫中。常見(jiàn)熱電阻測(cè)溫電路的簡(jiǎn)化框圖如下圖所示：
圖1 熱電阻測(cè)溫電路簡(jiǎn)化框圖
測(cè)溫電路主要包括：熱電阻、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），有些應(yīng)用還會(huì)加入微處理器（MCU）。測(cè)溫電路的輸出會(huì)接入后級(jí)的控制系統(tǒng)。
在實(shí)際的熱電阻測(cè)溫中，諸多因素會(huì)影響到測(cè)溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要在設(shè)計(jì)溫度采集電路的時(shí)候采用可靠的方案，從而能更好地保障測(cè)溫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免設(shè)備損壞造成的損失。
影響測(cè)溫可靠性的因素
圖2 影響測(cè)溫可靠性的因素
1. 高電壓環(huán)境的挑戰(zhàn)
在高電壓環(huán)境中，熱電阻測(cè)溫面臨的挑戰(zhàn)之一就是高壓電信號(hào)通過(guò)接觸熱電阻傳導(dǎo)進(jìn)低工作電壓的測(cè)溫系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，這將嚴(yán)重威脅到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。
2. 靜電放電的威脅
在工業(yè)測(cè)溫應(yīng)用中，人體的靜電放電會(huì)對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)造成威脅。靜電的電壓通常會(huì)達(dá)到數(shù)千伏，這一能量的釋放有可能直接造成系統(tǒng)宕機(jī)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接損壞電路元件。
3. 工頻信號(hào)的影響
在測(cè)溫應(yīng)用中，工頻信號(hào)可能會(huì)通過(guò)熱電阻傳導(dǎo)進(jìn)測(cè)溫電路，或通過(guò)電源耦合進(jìn)信號(hào)鏈中，從而造成測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)跳動(dòng)大的情況。
4. 工作溫度的影響
工業(yè)環(huán)境溫度范圍為-40℃~85℃，在高低溫環(huán)境下有部分電路會(huì)出現(xiàn)溫漂過(guò)大而影響測(cè)溫精度，甚至有部分元件會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常工作的情況。
可靠測(cè)溫的參考設(shè)計(jì)
在了解完影響測(cè)溫可靠性的因素后，接下來(lái)一一介紹解決方法來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
1. 電源隔離與接口隔離
對(duì)測(cè)溫電路的電源和數(shù)字輸出接口進(jìn)行隔離，不僅可以保護(hù)后級(jí)低電壓系統(tǒng)的安全，還可以隔離50Hz工頻信號(hào)，從而使測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)更穩(wěn)定。
2. 靜電保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
在供電端增加ESD管，測(cè)量端不能采用漏電流大的靜電保護(hù)器件，一般在測(cè)溫端采用串電阻的方式，可有效衰減靜電沖擊。
3. 工頻抑制的方法
熱電阻測(cè)溫中有多種方法可以實(shí)現(xiàn)工頻抑制效果?？梢酝ㄟ^(guò)隔離電源和輸出接口實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)設(shè)計(jì)低通濾波電路或陷波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，還可以在MCU中加入數(shù)字濾波算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4. 工業(yè)級(jí)器件選型
在方案設(shè)計(jì)階段需要選擇符合工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的低溫漂元器件，以保障在工業(yè)溫度下的測(cè)溫精度和電路穩(wěn)定性。
可靠的測(cè)溫產(chǎn)品
為保障測(cè)溫電路的高可靠性，致遠(yuǎn)電子將傳統(tǒng)熱電阻測(cè)溫電路的信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器進(jìn)行了集成，推出了TPS02RAH高精度測(cè)溫模塊。
1. 產(chǎn)品簡(jiǎn)介
TPS02RAH是一款針對(duì)PT100的工業(yè)雙通道隔離熱電阻測(cè)溫模塊，具有抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、檢測(cè)精度高、溫漂小的特點(diǎn)。
產(chǎn)品特性如下：
● 雙通道PT100熱電阻測(cè)量；
● -200℃~850℃測(cè)溫范圍，0.02%±0.1℃測(cè)溫誤差；
● 10ppm/℃溫漂；
● 內(nèi)置電源與數(shù)字隔離，電氣隔離耐壓為4000Vrms；
● 測(cè)量端靜電放電抗擾度：接觸±4kV；
● 內(nèi)置濾波電路和濾波算法，具有工頻抑制功能；
● 工作環(huán)境為-40℃~85℃。
2. 產(chǎn)品應(yīng)用
2.1 鋰電池化成分容測(cè)溫
鋰電池在裝配完成時(shí)是沒(méi)有電的，必須充電激活。首次充電就被稱(chēng)為“化成”，用于激活電池體內(nèi)的活性材料。而分容則是化成后對(duì)電池進(jìn)行充電放電，通過(guò)容量測(cè)試篩選出合格電池的過(guò)程。
化成壓床需要加熱加壓，同時(shí)檢測(cè)電芯的溫度情況，分容也在充放電過(guò)程需要測(cè)量溫度。鋰電池化成分容過(guò)程對(duì)測(cè)溫存在著測(cè)溫點(diǎn)數(shù)多、測(cè)溫精度高、工作環(huán)境溫度高、測(cè)量溫漂小的需求。針對(duì)這一測(cè)溫需求，致遠(yuǎn)電子為行業(yè)客戶(hù)設(shè)計(jì)了如下方案：
圖3 TPS02RAH在鋰電池化成分容的測(cè)溫應(yīng)用
該方案主要包括：RS485接口、微處理器（MCU）、TPS02RAH測(cè)溫模塊和熱電阻測(cè)溫傳感器。
針對(duì)鋰電池化成分容測(cè)溫點(diǎn)數(shù)多的需求，TPS02RAH的輸出接口為I2C，支持主機(jī)動(dòng)態(tài)更改模塊I2C地址，實(shí)現(xiàn)了單I2C總線(xiàn)掛載多個(gè)TPS02RAH測(cè)溫模塊的功能。
針對(duì)測(cè)溫精度高、工作環(huán)境溫度高、測(cè)量溫漂小的需求，TPS02RAH通過(guò)隔離和濾波電路，實(shí)現(xiàn)了0.02%±0.1℃的測(cè)溫精度和10ppm/℃溫漂，滿(mǎn)足了客戶(hù)的測(cè)溫需求。
2.2 電機(jī)測(cè)溫
電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生了大量的熱損耗，從而使得電機(jī)溫度升高，導(dǎo)致電機(jī)某些部件老化，因此需要對(duì)電機(jī)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
電機(jī)溫度檢測(cè)部位有三個(gè)，即電機(jī)外殼、定子繞組與軸承。電機(jī)外殼與定子繞組為靜態(tài)部位，可用熱電阻、熱電偶進(jìn)行溫度檢測(cè)，電機(jī)軸承為動(dòng)態(tài)部件，可用紅外溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)。主流的電機(jī)測(cè)溫均采用三線(xiàn)制PT100熱電阻檢測(cè)定子繞組的溫度。
電機(jī)測(cè)溫的難點(diǎn)在于電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，從而影響到了測(cè)溫的精度。致遠(yuǎn)電子為這一應(yīng)用的客戶(hù)推薦了如下方案：
圖4 TPS02RAH在電機(jī)溫度檢測(cè)上的應(yīng)用
電機(jī)繞組溫度檢測(cè)，需要在電機(jī)定子的繞組內(nèi)埋線(xiàn)，每相都預(yù)埋2只三線(xiàn)制的PT100溫度傳感器。因此，該方案使用了3個(gè)TPS02RAH測(cè)量電機(jī)繞組的6個(gè)溫度點(diǎn)。
為應(yīng)對(duì)電磁干擾帶來(lái)的挑戰(zhàn)，TPS02RAH內(nèi)置電源和數(shù)字隔離，通過(guò)內(nèi)置濾波電路和保護(hù)電路，能夠有效抵抗電磁干擾帶來(lái)的影響。經(jīng)測(cè)試，TPS02RAH的群脈沖抗擾度為±1kV，在工頻磁場(chǎng)抗擾度測(cè)試中達(dá)到了A等級(jí)。
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