CN100481664C - 传感器电阻的隔离测量电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测量用于监测电动机的绕组的温度的电阻传感器、如PTC或NTC温度传感器的电阻。本发明基于一种电子电路，其中，自设置在受监测对象中的传感器的导体连接到反馈配置中的放大器电路，放大器电路在传感器电阻增大时减小提供给分压器的DC电平。测量信号经过放大，并采用比较器将其与锯齿波发生器的输出电压进行比较，产生连续PWM(脉宽调制)信号并且例如通过光隔离器以数字格式传送给SELV电子电路。实质上的对数信号放大使得能够可靠地区分传感器电路中的短路和小的传感器电阻值。

Description

传感器电阻的隔离测量电路
技术领域
本发明涉及测量用于监测电机、具体为鼠笼式电动机的绕组的温度的电阻传感器、如PTC或NTC热敏电阻传感器的电阻。
背景技术
除了根据电流测量来保护鼠笼式电动机之外，例如当环境温度升高或者无论什么原因使电动机冷却不充分时，热敏电阻传感器还可用来防止绕组过热。当鼠笼式电动机用于爆炸性气体(Exe)中时，规程规定，电动机必须配备温度测量电路，以及热敏电阻传感器的测量电路必须与系统的其它电子电路电隔离。在实际的三相电动机中，三个热敏电阻传感器串联，各相的定子绕组用一个。
本发明使得能够测量大电阻范围的传感器电阻，它允许使用不同类型的传感器，同时仍然提供传感器电路中短路或断路的可靠指示。本发明还可用于在传感器电路与SELV电子装置之间要求高电压强度(绝缘水平)的情况中。
一种先有技术解决方案基于AC技术，其中包括在所选频率上工作的非稳态多谐振荡器以及测量电路与设备电子装置之间的电连接。电隔离通过热敏电阻传感器与测量电路之间的隔离变压器来实现。这种解决方案的一个缺点是特别在低传感器电阻值时的隔离变压器的非线性及其不良响应，这使得难以表明短路。另一个缺点是，除了传感器电阻的实际作用之外，传感器电路导体中的电容的作用通过隔离变压器加入测量电路。通过隔离变压器的电隔离易于实现，并且此解决方案成本低。
另一种先有技术解决方案是使用线性光隔离器，但是这由于元件的高价格以及各个元件之间的公差的大差异而产生问题，使测量电路的校准的实现复杂化。长期使用时的可靠性和稳定性也差。这种解决方案的优点是对于大范围电阻的良好线性度以及快速工作响应。
电动机制造商大部分通常选择PTC热敏电阻传感器，其电阻只在对于绕组绝缘所允许的最大温度之下极锐利地改变。基于此的一种先有技术解决方案把热敏电阻传感器的电阻值与固定门限值进行比较。门限值的跨越通过隔离变压器的电流负载的变化或者通过光隔离器来表明。该解决方案成本极低，但是它的缺点是通/断类型状态信息；对于电阻值的变化的状态没有信息可用-例如，是缓慢地还是快速地接近门限值。也没有提供传感器电路中的短路故障的指示。
市面上还有一种集成电路Maxim Max 6691，它允许四个PTC或NTC传感器的连接。芯片把各传感器的电阻值转换成一个脉宽调制(PWM)脉冲；但是脉冲比的范围相当窄。PWM脉冲比随着增大的电阻而减小，因此芯片大部分易于适合NTC传感器。电路的线性工作使得难以区分短路与小电阻值。测量范围可采用与传感器串联的电阻来调节，但是每种情况中的可用测量范围就测量电动机绕组温度并对它们进行保护的应用而言受到过分限制。没有芯片的第二来源制造商，这意味着将用户约束到单一元件供应商。
还有另一种集成电路Smartec SMT 160-30，其中具有内部温度传感器和PWM输出。由于它的物理尺寸及有限的工作温度范围，芯片不适用于电动机绕组的保护。芯片输出的PWM频率为1...4kHz，这又对接口元件和分析测量结果的电路设置了非常严格的要求。
发明内容
本发明的目的是创建解决上述问题的电阻传感器的测量电路。除了传感器电阻测量之外，本发明还指明传感器电路中的短路或断路。
本发明基于一种电子电路，其中，自设置在受保护对象中的电阻传感器的导体-通常为NTC或PTC温度传感器-连接到分压器电路内的反馈配置中的放大器电路。当传感器电阻增大时，放大器减小提供给分压器的DC电平。信号经过放大，以及采用锯齿波发生器和比较器来产生连续脉宽调制信号。信号通过光隔离器以数字格式传送给SELV电子电路。
锯齿波发生器的频率可能很低，因为大约超过一秒的测量对象的时间常数允许对于测量结果的长响应时间。这使得能够采用廉价的光隔离器。为了管理电阻测量的大范围(50Ω...15kΩ)上的分辨率，本发明以尽可能简单的放大器电路来模仿对数响应。传感器电阻上的电压增加越多，则放大器越多地减小提供给分压器电路的电压。这意味着在较低电阻值上取得更好的分辨率，有助于指明传感器电路中的短路。
采用光隔离器的数字信号的隔离是一种比采用具有较差长期稳定性的线性光隔离器的模拟信号的隔离更好的方法。
电动机的保护所需的分辨率通常为±7.5％，这意味着粗分辨率对于测量电路是足够的，但是测量的温度范围很宽，通常延伸到超过150℃的温度。
根据本发明的装置允许宽测量范围、实际上为50Ω...15kΩ，并且在1kΩ...5kΩ范围最灵敏，它覆盖了最常见的PTC或NTC热敏电阻器的门限电平。根据本发明的解决方案中使用的反馈块使得有可能取得检测故障情况-包括短路以及开路-的充分选择性。与采用线性光隔离器实现的解决方案相比，本发明使得有可能实现更低价格以及更容易的校准。校准可采用只不过两个测量点可靠地进行。本发明的另一个优点在于，由于所使用的电源电压反馈块，传感器电阻上的电压极低、小于2V，并且优选地通过大约20kΩ的串联电阻提供给传感器。这意味着，设置连接到爆炸性Ex气体中的电路的热敏电阻传感器极为安全，因为它保持明显低于产生电火花的临界电平。本发明中使用的低频PWM技术还允许使用具有高隔离电压强度的略缓慢的光隔离器。长期使用的光隔离器工作的可靠性是关键，因此光隔离器必须从与应用相称的充分优质的元件中选取。
不采用PWM(脉宽调制)，另外某种编码方法也可用于把传感器信号编码为数字格式。
附图说明
下面将通过示例实施例并参照附图更详细地描述本发明，附图中：
图1以框图说明测量装置；
图2说明块C、D和E的电路图；
图3说明块F的电路图；
图4说明块G和H的电路图；
图5是作为传感器电阻的函数的PWM脉冲比[％]的曲线。
具体实施方式
图1以框图说明传感器测量电子电路。虚线限制隔离测量电子装置的区域，而SELV电子电路在外部。
块(A)优选地包括加入测量装置中已经包含的DC/DC开关模式电源中的铁氧体变压器的三重绝缘线的次级绕组。这为隔离测量电子装置提供了所需电力、通常为15V、10mA。也可使用具有所需绝缘强度的其它电源配置。
块(B)包括用于产生稳定DC电压、如12V以便为测量电子装置供电的部件；优选地，这是具有相关元件的分流稳压器。
块(C)包括反馈配置中的放大器级，它向传感器电路提供第一DC电压(UD)，使得在传感器电阻(RX)增大时，所提供的电压电平降低，以便创建模仿对数响应的函数。
块(D)包括分压器电路，由与待测量的传感器电阻(RX)串联的镇流电阻器构成。此外，此块包括与EMC滤波以及满足Ex电路的要求的过压保护相关的元件。
块(T)包括测量传感器连接器。
块(E)包括非反相放大器级，它放大分压器电路(D)中的传感器电阻(RX)上的第二电压(UX)。放大器增益优选地大约为8。
块(F)包括用于产生PWM信号的锯齿波发生器。发生器频率优选地大约为10...100Hz。在保护电动机时，例如，大约超过一秒的时间常数使得有可能有利地采用40Hz的频率。例如，锯齿波(UF)的幅度的大小确定为10V电平-即，略低于为电子装置所选的电源电压电平、比如12V。
块(G)包括比较器电路，它比较放大的传感器电压信号(UE)和锯齿波发生器的输出电压(UF)，产生PWM信号并驱动块(H)中的光隔离器。除了光隔离器之外，块(H)还包括连接到正电源电压的串联电阻以及用于在次级侧使脉冲边沿保持充分尖锐的部件。PWM输出信号通过光隔离器从隔离测量电子电路传送到主电子电路。
为了管理在宽测量范围(50Ω...15kΩ)上的电阻测量的分辨率，块(C)中的放大器电路的意图是采用最简单的可能方法来模仿对数响应。在热敏电阻器的低电阻值下，输出电压-即PWM比-比在高电阻值下更迅速地成比例增大。这使得易于区分短路与热敏电阻传感器的最小值。反馈块(C)的工作在这个方面起关键作用。传感器电路(RX)上的第二电压(UX)增大得越多，则块(C)越多地减小提供给分压器电路(D)的第一电压(UD)。如果20kΩ镇流电阻器与热敏电阻(RX)串联，则块(C)提供给分压器电路的第一电压可表示为：
UD＝10V-6·UX            (1)
因此，当观察块(E)的8倍增益以及锯齿波发生器块(F)的0...10V幅度范围时，输出PWM信号的周期比(ηOUT)为：
η OUT = 8 · R x 7 · R x + 20 kΩ - - - ( 2 )
图2说明热敏电阻传感器接口电路块(D)、反馈放大器级块(C)和放大器级块(E)的电路图。
反馈放大器级块(C)中的运算放大器(A501-B)与电阻(R515，R524)共同组成优选增益比为2的非反相放大器级。运算放大器(A501-C)与电阻(R510，R514)以及连接到正(+)输入、如+2.5V的稳定参考电压Uref共同组成优选增益比为3的差分放大器。与电阻(R514)并联的电容(C504)设置成稳定反馈放大器级块(C)的输出电压。
反馈放大器级块(C)向传感器电路分压器(D)提供第一电压(UD)。传感器电路分压器块(D)包括串联电阻(R519，R520)，其组合电阻值经过选择，使得它与传感器电阻值、如20kΩ处于相同的数量级。例如FairchildSemiconductor SMBJ36CA型的抗瞬变装置(V509)连接在传感器端子连接器(THER+，THER-)之间。此外，串联电感(L501，L502)连接到两个连接器(THER+，THER-)。电容(C508)连接在串联电感之间以便滤除信号中的干扰。
爆炸性气体的Ex要求需要传感器的短路电流和电源电压不得变得太高。为此，齐纳二极管(V502)连接到电路，使得其阴极连接到串联电阻(R519，R520)之间的连接点，其阳极连接到电子装置的地电位(GND_INTHER)。齐纳二极管(V502)的标称电压大约为几伏、优选地为6.2V。电阻(R521)和电容(C509)组成RC滤波器，用于从第二传感器电压(UX)中滤除EMC干扰，因而从第二传感器电压(UX)产生传感器信号FB_VS。从相同的连接点，传感器信号(FB_VS)连接到放大器级块(E)以及连接到反馈放大器电路块(C)中的运算放大器(A501-B)的正(+)输入。这样，在传感器电阻(RX)以及因而传感器电阻(RX)上的第二电压(UX)和传感器信号(FB_VS)增大时，反馈放大器电路减小提供给传感器电路分压器(D)的第一电压(UD)。
放大器电路块(E)包括组成优选增益比为8的非反相放大器级的运算放大器(A501-A)和电阻(R509，R511)。来自此块的输出电压(UE)连接到比较器块(G)的反相(-)输入。
图3说明锯齿波发生器块(F)的电路图。例如NationalSemiconductors LM293型的集成比较器电路(N501-A)与其相关元件共同组成非稳态多谐振荡器。包括电阻(R503，R504)的分压器与电容(C507)共同对比较器(N501-A)的反相(-)输入产生偏置电压。电阻(R507，R508，R505)、二极管(V508)和PNP晶体管(V506)组成恒流电源，它对电容(C502)充电并形成锯齿波的正斜坡。由运算放大器(A501-D)组成的电压跟随器提供锯齿波发生器的输出电压(UF)。连接到比较器电路(N501-A)的非反相(+)输入的电阻(R522，R523)之比与连接到反相(-)输入的偏置电压共同确定锯齿波的转向点。二极管(V503)和电容(501)与NPN晶体管(V505)的基极上的分压器(R526，R527)共同用来创建从饱和到不导通状态的晶体管状态变化的延时，这确保锯齿波的输出电压下降到接近零。
图4说明比较器块(G)以及隔离和输出电路块(H)的电路图。
比较器块(G)包括集成比较器电路(N501-B)和上拉电阻器(R518)。另外，还采用电阻(R512，R513，R528)来创建滞后，它们与电容(C513)共同防止电路的振荡。来自放大器块块(E)的已放大传感器信号(UE)连接到比较器(N501-B)的反相(-)输入，以及锯齿波发生器的输出信号(UF)连接到非反相(+)输入。
光隔离器块块(H)包括光隔离器(K501)以及在光隔离器的次级侧的NPN晶体管(V504)、基极-发射极电阻(R516)和集电极上拉电阻(R517)，它们防止光隔离器(K501)中的光电晶体管进入饱和及建立更尖锐的PWM脉冲边沿。与电阻(R516)并联的电容(C514)设置成限制EMC干扰。
图5是曲线，其中，采用图2、图3和图4的电路图中的元件值所实现的测量装置的输出的PWM脉冲比[％]在垂直轴上作为在水平轴的对数标度上表示的传感器电阻[Ω]的函数来表示。曲线表明对于应用是典型的1kΩ...5kΩ的传感器电阻范围内的极线性区域，并且表明，PWM脉冲比在低电阻值时与传感器电阻的增大成正比地迅速增大。
虽然本发明仅通过一个具体实施例进行更详细描述，但是必须理解，本领域的技术人员能够在权利要求规定的限制内以不同形式应用本发明。
本发明适用于任何电阻测量，以及通过改变电路中的元件值，它的测量范围可易于针对应用来定制。本发明的原理不是特别适合于测量极低电阻传感器的电阻(小于1Ω)，因为电流源要求增加。根据本发明的解决方案成本低，因此它在经济上也极适用于甚至不要求隔离的电阻测量电路。
此外，如果采用串联的优质电容器代替镇流电阻器，则本发明可应用于电容传感器的测量。在这种情况中，不能在放大器级(块(C)和块(E))内的运算放大器的输入端使用滤波电容器。最简易的是采用具有高输入阻抗的电压跟随器电路作为这些块的公共前置级，并把信号干扰滤波连接到这个级的输出。
把PWM输出信号传送给测量电子装置侧而不是光隔离器的备选方法可通过把附加负载电阻器与块(A)(DC/DC变压器)并联的比较器块(G)来实现。流经负载电阻器的附加次级电流还将被表示为主电子装置侧上的DC/DC变压器的初级绕组中的增大的电流，并且这可通过测量连接到初级绕组的小串联电阻器的电压降来检测。这个实施例的优点包括节省成本和增加长期元件可靠性，但是，PWM频率必须相应地从40Hz减小到小于10Hz，这将增加测量装置的响应时间。
代替PWM编码，传感器信号可采用某种其它方法编码为数字格式。

Claims (6)

1.一种传感器电阻测量电路，包括用于把传感器电阻(RX)连接到分压器电路(D)的传感器连接器(T)、用于向所述分压器电路提供第一电压(UD)的部件(C)，所述分压器电路包括与传感器电阻(RX)串联的电阻(R519，R520)以及用于把传感器电阻(RX)上的第二电压(UX)滤波为传感器信号(FB_VS)的部件(L501，L502，C508，R521，C509)和用于处理并进一步传送传感器信号的部件，其特征在于，用于向所述分压器电路(D)提供第一电压(UD)的所述部件(C)被设置成作为传感器电阻(RX)的函数来减小所提供的第一电压(UD)。
2.如权利要求1所述的测量电路，其特征在于，用于向所述分压器电路(D)提供第一电压(UD)的所述部件(C)包括用于放大传感器信号(FB_VS)的非反相放大器级(A501-B，R515，R524)和差分放大器级(A501-C，R510，R514)，所述差分放大器级根据连接到其反相(-)输入的已放大传感器信号与连接到其非反相(+)输入的稳定参考电压(UREF)之间的差异，设置成向分压器电路(D)提供第一电压(UD)。
3.如权利要求1或2所述的测量电路，其特征在于，测量电路包括用于把传感器信号(FB_VS)放大为信号电压(UE)的部件(E)、锯齿波发生器(F)、用于作为信号电压(UE)与所述锯齿波发生器的输出电压(UF)之间的比较结果来产生脉冲编码PWM信号的比较器(G)、以及用于进一步传送所述PWM信号的部件(H)。
4.一种用于测量传感器电阻(RX)的方法，在所述方法中，第一电压(UD)被提供给分压器电路(D)，所述分压器电路包括串联电阻(R519，R520)和传感器电阻(RX)，所述传感器电阻(RX)上的第二电压(UX)被滤波为传感器信号(FB_VS)，并且所述传感器信号为传送而经过处理，其特征在于，提供给分压器电路(D)的第一电压(UD)作为传感器电阻(RX)的函数被减小。
5.如权利要求4所述的用于测量传感器电阻(RX)的方法，其特征在于，提供给分压器电路(D)的第一电压(UD)作为传感器电阻(RX)的对数函数被减小。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述传感器信号(FB_VS)被放大为信号电压(UE)，它与锯齿波(UF)进行比较，从而产生脉冲编码PWM信号以供传送。
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