還在擔心溫度測量設計不可靠？這4種方法來(lái)保障

在工業(yè)應用中，常用熱電阻測量設備的工作溫度，從而實(shí)現對設備運行狀態(tài)的監測。若測溫系統異常，會(huì )直接增大工業(yè)設備損壞風(fēng)險。因此，如何保障測溫系統對設備的有效監測顯得尤為重要。

熱電阻測溫具有測溫范圍大、精度高、穩定性好的特點(diǎn)，被廣泛應用在工業(yè)測溫中。常見(jiàn)熱電阻測溫電路的簡(jiǎn)化框圖如下圖所示：

圖1 熱電阻測溫電路簡(jiǎn)化框圖

測溫電路主要包括：熱電阻、信號調理電路、模數轉換器（ADC），有些應用還會(huì )加入微處理器（MCU）。測溫電路的輸出會(huì )接入后級的控制系統。

在實(shí)際的熱電阻測溫中，諸多因素會(huì )影響到測溫系統的穩定性和可靠性。為應對這些挑戰，需要在設計溫度采集電路的時(shí)候采用可靠的方案，從而能更好地保障測溫系統的穩定運行，避免設備損壞造成的損失。

影響測溫可靠性的因素

圖2 影響測溫可靠性的因素

1. 高電壓環(huán)境的挑戰

在高電壓環(huán)境中，熱電阻測溫面臨的挑戰之一就是高壓電信號通過(guò)接觸熱電阻傳導進(jìn)低工作電壓的測溫系統和控制系統，這將嚴重威脅到整個(gè)系統的穩定和安全。

2. 靜電放電的威脅

在工業(yè)測溫應用中，人體的靜電放電會(huì )對測溫系統造成威脅。靜電的電壓通常會(huì )達到數千伏，這一能量的釋放有可能直接造成系統宕機，嚴重時(shí)會(huì )直接損壞電路元件。

3. 工頻信號的影響

在測溫應用中，工頻信號可能會(huì )通過(guò)熱電阻傳導進(jìn)測溫電路，或通過(guò)電源耦合進(jìn)信號鏈中，從而造成測溫數據跳動(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 )出現溫漂過(guò)大而影響測溫精度，甚至有部分元件會(huì )出現無(wú)法正常工作的情況。

可靠測溫的參考設計

在了解完影響測溫可靠性的因素后，接下來(lái)一一介紹解決方法來(lái)應對這些挑戰。

1. 電源隔離與接口隔離

對測溫電路的電源和數字輸出接口進(jìn)行隔離，不僅可以保護后級低電壓系統的安全，還可以隔離50Hz工頻信號，從而使測溫數據更穩定。

2. 靜電保護電路的設計

在供電端增加ESD管，測量端不能采用漏電流大的靜電保護器件，一般在測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

熱電阻測溫中有多種方法可以實(shí)現工頻抑制效果?？梢酝ㄟ^(guò)隔離電源和輸出接口實(shí)現，也可以通過(guò)設計低通濾波電路或陷波器來(lái)實(shí)現，還可以在MCU中加入數字濾波算法來(lái)實(shí)現。

4. 工業(yè)級器件選型

在方案設計階段需要選擇符合工業(yè)級標準的低溫漂元器件，以保障在工業(yè)溫度下的測溫精度和電路穩定性。

可靠的測溫產(chǎn)品

為保障測溫電路的高可靠性，致遠電子將傳統熱電阻測溫電路的信號調理電路、模數轉換器、微處理器進(jìn)行了集成，推出了TPS02RAH高精度測溫模塊。

1. 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

TPS02RAH是一款針對PT100的工業(yè)雙通道隔離熱電阻測溫模塊，具有抗干擾性強、可靠性高、檢測精度高、溫漂小的特點(diǎn)。

產(chǎn)品特性如下：

●   雙通道PT100熱電阻測量；

●   -200℃~850℃測溫范圍，0.02%±0.1℃測溫誤差；

●   10ppm/℃溫漂；

●   內置電源與數字隔離，電氣隔離耐壓為4000Vrms；

●   測量端靜電放電抗擾度：接觸±4kV；

●   內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)品應用

2.1 鋰電池化成分容測溫

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”，用于激活電池體內的活性材料。而分容則是化成后對電池進(jìn)行充電放電，通過(guò)容量測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)檢測電芯的溫度情況，分容也在充放電過(guò)程需要測量溫度。鋰電池化成分容過(guò)程對測溫存在著(zhù)測溫點(diǎn)數多、測溫精度高、工作環(huán)境溫度高、測量溫漂小的需求。針對這一測溫需求，致遠電子為行業(yè)客戶(hù)設計了如下方案：

圖3 TPS02RAH在鋰電池化成分容的測溫應用

該方案主要包括：RS485接口、微處理器（MCU）、TPS02RAH測溫模塊和熱電阻測溫傳感器。

針對鋰電池化成分容測溫點(diǎn)數多的需求，TPS02RAH的輸出接口為I2C，支持主機動(dòng)態(tài)更改模塊I2C地址，實(shí)現了單I2C總線(xiàn)掛載多個(gè)TPS02RAH測溫模塊的功能。

針對測溫精度高、工作環(huán)境溫度高、測量溫漂小的需求，TPS02RAH通過(guò)隔離和濾波電路，實(shí)現了0.02%±0.1℃的測溫精度和10ppm/℃溫漂，滿(mǎn)足了客戶(hù)的測溫需求。

2.2 電機測溫

電機將電能轉換成機械能的過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生了大量的熱損耗，從而使得電機溫度升高，導致電機某些部件老化，因此需要對電機的溫度進(jìn)行監測。

電機溫度檢測部位有三個(gè)，即電機外殼、定子繞組與軸承。電機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，電機軸承為動(dòng)態(tài)部件，可用紅外溫度傳感器進(jìn)行檢測。主流的電機測溫均采用三線(xiàn)制PT100熱電阻檢測定子繞組的溫度。

電機測溫的難點(diǎn)在于電機運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生電磁干擾，從而影響到了測溫的精度。致遠電子為這一應用的客戶(hù)推薦了如下方案：

圖4 TPS02RAH在電機溫度檢測上的應用

電機繞組溫度檢測，需要在電機定子的繞組內埋線(xiàn)，每相都預埋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測量電機繞組的6個(gè)溫度點(diǎn)。

為應對電磁干擾帶來(lái)的挑戰，TPS02RAH內置電源和數字隔離，通過(guò)內置濾波電路和保護電路，能夠有效抵抗電磁干擾帶來(lái)的影響。經(jīng)測試，TPS02RAH的群脈沖抗擾度為±1kV，在工頻磁場(chǎng)抗擾度測試中達到了A等級。