CN103021117B - 基于温度检测的电气火灾探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于温度检测的电气火灾探测器，具有测温电路用恒流源，恒流源包括DAC输入模块、第一加法器电路、差分输入运算放大电路、第二加法器电路、反向放大电路和MOSFET开关电路；第一加法器电路的输入端与差分输入运算放大电路的输出端、第二加法器电路的输出端连接，输出端与MOSFET的栅极连接；反向放大电路的输入端与差分输入运算放大电路的输出端连接，输出端与第二加法器电路的输入端连接；DAC输入模块与第二加法器电路的输入端连接；差分输入运算放大电路的同向输入端与MOSFET的源极连接，反向输入端接地。本发明采用测温电路用恒流源，由四个运算放大电路实现双闭环双反馈控制，恒流精度高；响应速度快，通用性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种火灾探测器，特别涉及一种基于温度检测的电气火灾探测器。
背景技术
随着我国社会和经济的快速发展，电力需求迅猛增长，而今，因电气因素引起的火灾也一直居高不下，给国家财产和人民的生命安全造成巨大的损失，电气火灾已成为影响社会稳定安全、危害人民生命、财产安全的第一大不利因素。
目前的电气火灾探测器测量信号受测温电路影响，精度低，对火灾的预测性较差，且探测器通用性不强、使用寿命也较短。
由于恒流源比较稳定，能够测到比较稳定的电压值，Pt100测温电路一般均使用恒流源。Pt100温度传感器典型测量电流为1mA，基于Pt电阻的特性，超过这个电流会因为电流热效应影响测试结果。因此，Pt100测温电路的测量电路控制非常重要。
在进行电压电流信号转换时用到一个最关键的器件就是运算放大器。运算放大器的性能直接影响到输出信号的波形质量。运算放大器是由许多元件和部件构成的电路形式。这些元件和部件有的本身就是电抗元件，有的虽然不是电抗元件但实际上却多少具有电抗成分。由于电抗的存在，会使放大器对于信号的不同频率呈现不同的放大能力。实际的放大器，它的放大倍数只能保证在一个频率范围内有比较均匀地放大。按照电子电路分析的通常判断方法，在通频带的两端，放大倍数低于中间频段的0.707倍（即-3dB）以外的频率部分，我们可以认为不是有效的放大。这就限制了电压电流转换电路的频率范围，因此在应用电压电流转换电路时，必须满足要求的响应时间、线性度和漂移等指标。现有技术中，开环恒流源电路克服不了温漂，恒流会随温度变化，不够稳定，测量结果的精度不高。而闭环调节一般是采用软件方法，先测量电流大小，然后通过软件计算方法来改变恒流的电流大小，响应速度慢，对算法要求高，算法参数不好就不容易稳定下来。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中，火灾探测器的测温电路恒流源响应速度慢、精度不可控等不足，本发明提供一种基于温度检测的电气火灾探测器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于温度检测的电气火灾探测器，具有测温电路用恒流源，所述恒流源包括DAC输入模块、第一级反馈电路、第二级反馈电路和开关电路；所述第一级反馈电路包括差分输入运算放大电路和第一反向输入加法器电路，所述第二级反馈电路包括第二反向输入加法器电路和反向放大电路；所述第一反向输入加法器电路的反向输入端与所述差分输入运算放大电路的输出端、第二反向输入加法器电路的输出端连接；
所述反向放大电路的输入端与差分输入运算放大电路的输出端连接，输出端与第二反向输入加法器电路的输入端连接；所述DAC输入模块与第二反向输入加法器电路的输入端连接；
所述开关电路为MOSFET开关电路，所述第一反向输入加法器电路的输出端与MOSFET的栅极连接，所述MOSFET的源极接地，漏极为恒流源输出口；所述差分输入运算放大电路的同向输入端与MOSFET的源极连接，反向输入端接地；所述差分输入运算放大电路的同向输入端与反向输入端之间通过采样电阻连接。
第一反向输入加法器电路：包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的反向输入端与输出端之间连接有互相并联的第一电阻和第一电容，同向输入端接地；
差分输入运算放大电路：包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的同向输入端和反向输入端分别通过第二电阻和第三电阻接地，反向输入端通过第四电阻与输出端连接；所述第二运算放大器的同向输入端通过第十五电阻与MOSFET的源极连接；
第二反向输入加法器电路：包括第三运算放大器，所述第三运算放大器的反向输入端通过第五电阻与DAC输入模块连接，同向输入端接地，反向输入端与输出端之间连接有互相串联的第六电阻和第二电容；
反向放大电路：包括第四运算放大器，所述第四运算放大器的反向输入端通过第七电阻与输出端连接，同向输入端接地，输出端通过第八电阻与第三运算放大器的反向输入端连接；
所述第一运算放大器的反向输入端依次通过第九电阻、第一二极管和第十电阻与第三运算放大器的输出端连接，第一二极管的正极与第九电阻连接，并通过上拉电阻与电源电压连接；所述第一运算放大器的输出端通过第十四电阻与所述MOSFET的栅极连接；所述第二运算放大器的输出端分别通过第十一电阻和第十二电阻与第一运算放大器的反向输入端和第四运算放大器的反向输入端连接。
为了保护MOSFET，所述MOSFET的栅极和源极之间连接有第十三电阻，当前端电路出现断路时，强制将栅极电压下拉至低电平。
还具有开路电压测量电路，所述开路电压测量电路包括用于将所述恒流源电压反向并缩小至1/10的第五运算放大电路、用于将所述第五运算放大电路输出端的电压反向并按比例缩小的第六运算放大电路和用于将所述第六运算放大电路输出端的电压转换成数字信号的模数转换电路。
还具有开路电压过压保护电路，所述开路电压过压保护电路包括施密特触发器电路和保险丝，所述施密特触发器电路的输入端与所述第五运算放大电路的输出端连接，所述保险丝与MOSFET的漏极串联；所述施密特触发器电路包括第七运算放大器，所述第七运算放大器的输出端连接有第二二极管，通过第十六电阻与第七运算放大器的输出端连接，正极通过所述上拉电阻与电源电压连接，并且所述第二二极管的正极通过所述第九电阻与第一运算放大器的反向输入端连接。
本发明的有益效果是，本发明的基于温度检测的电气火灾探测器，采用测温电路用恒流源，由四个运算放大电路组成的硬件电路实现双闭环双反馈控制，最终实现由DAC输入模块输出电压来控制MOSFET的栅极电压，从而控制MOSFET内阻，实现精密的恒流输出；响应速度快，能有效地抑制温漂带来的测量误差，满足Pt100测温电路的精度要求；而且该恒流源可以做成单独的恒流源模块，通用性好，使用方便；带有开路电压测量电路和开路电压过压保护电路，使用安全可靠。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的基于温度检测的电气火灾探测器中测温电路用恒流源最优实施例的电路原理图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明的基于温度检测的电气火灾探测器中测温电路用恒流源最优实施例的电路原理图。所述恒流源包括DAC输入模块、第一级反馈电路、第二级反馈电路和开关电路；所述第一级反馈电路包括差分输入运算放大电路和第一反向输入加法器电路，所述第二级反馈电路包括第二反向输入加法器电路和反向放大电路；所述第一反向输入加法器电路的反向输入端与所述差分输入运算放大电路的输出端、第二反向输入加法器电路的输出端连接；
所述反向放大电路的输入端与差分输入运算放大电路的输出端连接，输出端与第二反向输入加法器电路的输入端连接；所述DAC输入模块与第二反向输入加法器电路的输入端连接；
所述开关电路为包括N沟道增强型MOSFET的开关电路，采用IRF540N，当然，参数类似于IRF540N的其他MOSFET，特别是耐流能力达到要求，就可以使用。所述第一反向输入加法器电路的输出端与MOSFET的栅极连接，所述MOSFET的源极接地，漏极与+20V电压连接，且为恒流源输出口；所述差分输入运算放大电路的同向输入端与MOSFET的源极连接，反向输入端接地；所述差分输入运算放大电路的同向输入端与反向输入端之间通过采样电阻R76连接。
第一反向输入加法器电路：包括第一运算放大器AR6，第一运算放大器AR6的反向输入端与输出端之间连接有互相并联的第一电阻R64和第一电容C61，同向输入端接地；
差分输入运算放大电路：包括第二运算放大器AR7，第二运算放大器AR7的同向输入端和反向输入端分别通过第二电阻R74和第三电阻R73接地，反向输入端通过第四电阻R72与输出端连接；第二运算放大器AR7的同向输入端通过第十五电阻R75与MOSFET的源极连接；
第二反向输入加法器电路：包括第三运算放大器AR2，第三运算放大器AR2的反向输入端通过第五电阻R21与DAC输入模块连接，同向输入端接地，反向输入端与输出端之间连接有互相串联的第六电阻R22和第二电容C22；
反向放大电路：包括第四运算放大器AR3，第四运算放大器AR3的反向输入端通过第七电阻R32与输出端连接，同向输入端接地，输出端通过第八电阻R31与第三运算放大器AR2的反向输入端连接；
第一运算放大器AR6的反向输入端依次通过第九电阻R62、第一二极管D52和第十电阻R23与第三运算放大器AR2的输出端连接，第一二极管D52的正极与第九电阻R62连接，并通过上拉电阻R61与电源电压连接；第一运算放大器AR6的输出端通过第十四电阻R65与MOSFET的栅极连接；第二运算放大器AR7的输出端分别通过第十一电阻R71和第十二电阻R33与第一运算放大器AR6的反向输入端和第四运算放大器AR3的反向输入端连接；
MOSFET的栅极和源极之间连接有第十三电阻R66。
还具有开路电压测量电路，开路电压测量电路包括用于将恒流源电压反向并缩小至1/10的第五运算放大电路、用于将第五运算放大电路输出端的电压反向的第六运算放大电路和用于将第六运算放大电路输出端的电压转换成数字信号的模数转换电路。所述第五运算放大电路包括第五运算放大器AR8，第五运算放大器AR8的同向输入端接地，反向输入端与输出端连接有第十七电阻R81，反向输入端通过第十八电阻R82与恒流源输出口连接；第六运算放大电路包括第六运算放大器AR4，第六运算放大器AR4的反向输入端通过第十九电阻R42与第五运算放大器AR8的输出端连接，输出端与反向输入端之间连接有第二十电阻R41，同向输入端接地。第五运算放大器AR8是把恒流源上的电压反向并缩小10倍，再经过第六运算放大器AR4反向得到0～2V的电压输出，和0～20V成同向比关系。
还具有开路电压过压保护电路，开路电压过压保护电路包括施密特触发器电路和保险丝F1，施密特触发器电路的输入端与所述第五运算放大电路的输出端连接，保险丝F1与MOSFET的漏极串联，即MOSFET的漏极经保险丝F1引出恒流源输出口；施密特触发器电路包括第七运算放大器AR5，第七运算放大器AR5的同向输入端通过第二十二电阻R54与第五运算放大器AR8的输出端连接，反向输入端接地；第七运算放大器AR5的输出端连接有第二二极管D51，第二二极管D51的负极通过第十六电阻R51与第七运算放大器AR5的输出端连接，正极通过上拉电阻R61与+12V电源电压连接；第七运算放大器AR5的输出端还依次串接有第三二极管D50、第二十一电阻R52和可调电阻R53，可调电阻R53的另一端与+12V电源电压连接，第三二极管D50的负极与第七运算放大器AR5的输出端连接。当恒流源电压过压时，第五运算放大器AR8和第七运算放大器AR5联合实现一个足够小的反向电压输出，+12V就会通过R61，D51和R51形成回路，第一运算放大器AR6的输入被钳制在一个电压，第一运算放大器AR6的输出就会让MOSFET处于完全导通状态，保险丝F1就会熔断，从而实现保护。即第七运算放大器AR5的输出端连接的电路实现施密特触发器。
第一运算放大器AR6和第二运算放大器AR7均采用MC33072，第三运算放大器AR2、第五运算放大器AR8、第六运算放大器AR4和第七运算放大器AR5均采用OP07，第四运算放大器AR3采用OP27。所有运算放大器均采用+12V和-12V的电源电压。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (3)
1.一种基于温度检测的电气火灾探测器，具有测温电路用恒流源，其特征在于：所述恒流源包括DAC输入模块、第一级反馈电路、第二级反馈电路和开关电路；所述第一级反馈电路包括差分输入运算放大电路和第一反向输入加法器电路，所述第二级反馈电路包括第二反向输入加法器电路和反向放大电路；所述第一反向输入加法器电路的反向输入端与所述差分输入运算放大电路的输出端、第二反向输入加法器电路的输出端连接；
所述反向放大电路的输入端与差分输入运算放大电路的输出端连接，反向放大电路的输出端与第二反向输入加法器电路的输入端连接；所述DAC输入模块与第二反向输入加法器电路的输入端连接；
所述开关电路为MOSFET开关电路，所述第一反向输入加法器电路的输出端与MOSFET的栅极连接，所述MOSFET的源极接地，漏极为恒流源输出口；所述差分输入运算放大电路的同向输入端与MOSFET的源极连接，反向输入端接地；所述差分输入运算放大电路的同向输入端与反向输入端之间通过采样电阻（R76）连接；
第一反向输入加法器电路：包括第一运算放大器（AR6），所述第一运算放大器（AR6）的反向输入端与输出端之间连接有互相并联的第一电阻（R64）和第一电容（C61），同向输入端接地；
差分输入运算放大电路：包括第二运算放大器（AR7），所述第二运算放大器（AR7）的同向输入端和反向输入端分别通过第二电阻（R74）和第三电阻（R73）接地，反向输入端通过第四电阻（R72）与输出端连接；所述第二运算放大器（AR7）的同向输入端通过第十五电阻（R75）与MOSFET的源极连接；
第二反向输入加法器电路：包括第三运算放大器（AR2），所述第三运算放大器（AR2）的反向输入端通过第五电阻（R21）与DAC输入模块连接，同向输入端接地，反向输入端与输出端之间连接有互相串联的第六电阻（R22）和第二电容（C22）；
反向放大电路：包括第四运算放大器（AR3），所述第四运算放大器（AR3）的反向输入端通过第七电阻（R32）与输出端连接，同向输入端接地，输出端通过第八电阻（R31）与第三运算放大器（AR2）的反向输入端连接；
所述第一运算放大器（AR6）的反向输入端依次通过第九电阻（R62）、第一二极管（D52）和第十电阻（R23）与第三运算放大器（AR2）的输出端连接，第一二极管（D52）的正极与第九电阻（R62）连接，并通过上拉电阻（R61）与电源电压连接；所述第一运算放大器（AR6）的输出端通过第十四电阻（R65）与所述MOSFET的栅极连接；所述第二运算放大器（AR7）的输出端分别通过第十一电阻（R71）和第十二电阻（R33）与第一运算放大器（AR6）的反向输入端和第四运算放大器（AR3）的反向输入端连接；
所述MOSFET的栅极和源极之间连接有第十三电阻（R66）。
2.如权利要求1所述的基于温度检测的电气火灾探测器，其特征在于：还具有开路电压测量电路，所述开路电压测量电路包括用于将所述恒流源电压反向并缩小至1/10的第五运算放大电路、用于将所述第五运算放大电路输出端的电压反向的第六运算放大电路和用于将所述第六运算放大电路输出端的电压转换成数字信号的模数转换电路。
3.如权利要求2所述的基于温度检测的电气火灾探测器，其特征在于：还具有开路电压过压保护电路，所述开路电压过压保护电路包括施密特触发器电路和保险丝（F1），所述施密特触发器电路的输入端与所述第五运算放大电路的输出端连接，所述保险丝（F1）与MOSFET的漏极串联；所述施密特触发器电路包括第七运算放大器（AR5），所述第七运算放大器（AR5）的输出端连接有第二二极管（D51），通过第十六电阻（R51）与第七运算放大器（AR5）的输出端连接，正极通过所述上拉电阻（R61）与电源电压连接，并且所述第二二极管（D51）的正极通过所述第九电阻（R62）与第一运算放大器（AR6）的反向输入端连接。
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