CN110108380A - 一种应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统，涉及温度测量领域，包括：至少两个三线制PT100温度传感器、模拟开关和测量电路；三线制PT100温度传感器经过对应的模拟开关连接至测量电路；测量电路包括第一恒流源、第二恒流源、第三恒流源、基准电路、偏置电路、差分仪表放大器、同向放大器、校准电路、MCU；每个模拟开关等效为第一模拟开关和第二模拟开关，第一模拟开关和第二模拟开关分别包括两路开关。采用三个恒流源同基准，有效消除电源系统的误差、MCU模拟量的基准误差和测量误差，采用自动校准测量，无需人工校准，采用差分仪表运放，可以有效消除共模干扰，适用于纺织行业的工况。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量领域，尤其是一种应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统。
背景技术
目前纺织加弹机联苯加热箱内常规测量温度的传感器型号多为铂热电阻PT100，测温点多，温度传感器与控制器的距离较远，使得PT100上的线损严重，加上加弹机上的静电十分严重，共模干扰较大，温度测量的难度也被大大提高。
联苯加热箱内的PT100温度传感器测量方法主要有桥式测温法、单恒流源三线制测温法，一般的桥式测温电路的优点是用三根导线将PT100传感器和测量电路连接起来，PT100传感器两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，可以抵消导线电阻所引起的误差，但是不能消除系统的测量误差；而单恒流源与校准电路组成的三线制温度测量电路中电源系统和基准电压温飘一样会导致测量精度很难控制，同时由于是单恒流源，需要通过模拟开关多次切换来测量三线制PT100的线电阻，降低了测量速率。现有的温度测量方法在某个温度范围内可以获得较好的测量精度，一旦超出该温度范围，各个器件的温飘特性则会严重影响测量精度，而纺机的工作环境必然是高温高油高静电，从而给电路带来的影响较大。
发明内容
本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统。
本发明的技术方案如下：
一种应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统，包括：至少两个三线制PT100温度传感器、与所述三线制PT100温度传感器数量相等的模拟开关和一个测量电路；所述三线制PT100温度传感器经过对应的模拟开关连接至所述测量电路；
所述测量电路包括第一恒流源、第二恒流源、第三恒流源、基准电路、偏置电路、差分仪表放大器、同向放大器、校准电路、MCU；每个所述模拟开关等效为第一模拟开关和第二模拟开关，所述第一模拟开关和所述第二模拟开关分别包括两路开关；
所述三线制PT100温度传感器的第一个输出分别与所述第一模拟开关和所述第二模拟开关中的第一路开关连接，第二个输出分别与所述第一模拟开关和所述第二模拟开关中的第二路开关连接，第三个输出接地；
所述第一恒流源的一端与所述第一模拟开关的第一路开关连接，所述第二恒流源的一端与所述第一模拟开关的第二路开关连接，所述第一恒流源和所述第二恒流源的另一端分别与所述第三恒流源连接；所述第三恒流源分别与所述基准电路和所述偏置电路连接，所述基准电路分别与所述偏置电路和所述MCU连接，所述偏置电路与所述同向放大器连接，所述同向放大器与所述MCU连接；所述第二模拟开关的两路开关与所述差分仪表放大器连接，所述差分仪表放大器与所述同向放大器连接；所述第一模拟开关和所述第二模拟开关的两路开关均与所述校准电路连接，所述校准电路与所述MCU连接。
其进一步的技术方案为：所述第一恒流源经过所述第一模拟开关流进所述三线制PT100温度传感器的正端，所述第二恒流源经过所述第一模拟开关流进所述三线制PT100温度传感器的负端，所述第三恒流源通过所述基准电路产生恒定的电压提供给所述第一恒流源和所述第二恒流源作为基准，所述基准电路还提供基准电压给所述MCU的ADC数模转换器。
其进一步的技术方案为：所述三线制PT100温度传感器的正端和负端经过所述第二模拟开关到所述差分仪表放大器，与所述偏置电路进到所述同向放大器，所述同向放大器将信号放大后送入所述MCU转换成数字量用于系统控制。
其进一步的技术方案为：所述三线制PT100温度传感器包括热敏电阻、第一引线内阻、第二引线内阻、第三引线内阻；所述第一引线内阻、所述第二引线内阻、所述第三引线内阻并联，所述热敏电阻与所述第一引线内阻串联；所述第一引线内阻引出第一个输出，所述第二引线内阻引出第二个输出，所述第三引线内阻引出第三个输出。
其进一步的技术方案为：所述校准电路通过所述第一模拟开关和所述第二模拟开关切换校准源和标准电阻；
所述校准电路的校准至少包括温度零位、第一恒流源电流、第二恒流源电流、仪表放大器的零位输入、同向放大器的放大倍数的校准。
其进一步的技术方案为：所述模拟开关的型号为HEF4052BT(NXP)。
本发明的有益技术效果是：
本申请提出的应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统采用三个恒流源同基准，有效的消除电源系统的误差、MCU模拟量的基准误差和测量误差，测温速度比单恒流源测量法快一倍，另外，该精密测温系统采用自动校准测量，无需人工校准，采用差分仪表运放，可以有效消除共模干扰，适用于纺织行业的工况。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统的结构方框图。
图2是本发明一个实施例提供的测量电路的结构方框图。
图3是本发明一个实施例提供的测量电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明实施例针对常规测量方式的不足，提出新的精密测温系统，测量速度比单恒流源测量快。
图1是本发明一个实施例提供的应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统的结构方框图，如图1所示，该精密测温系统可以包括：至少两个三线制PT100温度传感器1、与三线制PT100温度传感器1数量相等的模拟开关2和一个测量电路3；三线制PT100温度传感器1经过对应的模拟开关2连接至测量电路3。
示例性的，如图1所示，在实际应用中，一节联苯加热箱通常有24个三线制PT100温度传感器1，这24个三线制PT100温度传感器1可以共用一个测量电路3，使用24组模拟开关2进行切换。
可选的，模拟开关的型号为HEF4052BT(NXP)。
结合参考图2，测量电路3包括第一恒流源4、第二恒流源5、第三恒流源6、基准电路7、偏置电路8、差分仪表放大器9、同向放大器10、校准电路11、MCU 12。图1中的每个模拟开关2等效为图2中的第一模拟开关13和第二模拟开关14，第一模拟开关13和第二模拟开关14分别包括两路开关。
如图2所示，三线制PT100温度传感器1的第一个输出分别与第一模拟开关13和第二模拟开关14中的第一路开关连接，第二个输出分别与第一模拟开关13和第二模拟开关14中的第二路开关连接，第三个输出接地。
第一恒流源4的一端与第一模拟开关13的第一路开关连接，第二恒流源5的一端与第一模拟开关13的第二路开关连接，第一恒流源4和第二恒流源5的另一端分别与第三恒流源6连接；第三恒流源6分别与基准电路7和偏置电路8连接，基准电路7分别与偏置电路8和MCU 12连接，偏置电路8与同向放大器10连接，同向放大器10与MCU 12连接；第二模拟开关14的两路开关与差分仪表放大器9连接，差分仪表放大器9与同向放大器10连接；第一模拟开关13和第二模拟开关14的两路开关均与校准电路11连接，校准电路11与MCU 12连接。
第一恒流源4经过第一模拟开关13流进三线制PT100温度传感器1的正端，第二恒流源5经过第一模拟开关13流进三线制PT100温度传感器1的负端，第三恒流源6通过基准电路7产生恒定的电压提供给第一恒流源4和第二恒流源5作为基准，基准电路7还提供基准电压给MCU 12的ADC数模转换器。这样三个恒流源共用一个基准电路，所有参数均一致，同基准源可以消除因电源系统飘动对偏置电压的影响，同种类型的器件可以抵消器件温飘，互为比例关系存在。
三线制PT100温度传感器1的正端和负端经过第二模拟开关14到差分仪表放大器9，与偏置电路8进到同向放大器10，同向放大器10将信号放大后送入MCU 12转换成数字量用于系统控制。
本发明实施例提供的精密测温系统具有自校准电路部分，校准电路11通过第一模拟开关13和第二模拟开关14切换校准源和标准电阻；校准电路11的校准至少包括温度零位、第一恒流源电流、第二恒流源电流、仪表放大器的零位输入、同向放大器的放大倍数的校准。
可选的，如图2所示，三线制PT100温度传感器1包括热敏电阻Rt、第一引线内阻R1#、第二引线内阻R2#、第三引线内阻R3#；第一引线内阻R1#、第二引线内阻R2#、第三引线内阻R3#并联，热敏电阻Rt与第一引线内阻R1#串联；第一引线内阻R1#引出第一个输出，第二引线内阻R2#引出第二个输出，第三引线内阻R3#引出第三个输出。
结合参考图3，其示出了测量电路的电路原理图，MCU最后输入的电压Vout＝Vo1－Vb，Vb为偏置电压，Vo1为差分仪表放大器的输出电压，Vo1＝Av(Vin+－Vin-)，Av为差分仪表放大器的放大倍数，(Vin+－Vin-)为PT100的正端与负端的电压差值，Vin+＝I1×(R1#+Rt+R3#)+I2×R3#，Vin-＝I2×(R2#+R3#)+I1×R3#，I1为第一恒流源电流，I2为第二恒流源电流。三线制的PT100温度传感器导线材质均为一致，所以线电阻R1#＝R2#＝R3#；第一恒流源与第二恒流源均引用同一基准电源，器件参数也均一致，所以I1＝I2＝I带入公式后为Rt＝(Vout－Vb)÷(Av×I)。Vb，Av，I在短时间内为固定值，Vout为变量。
示例性的，如表1所示，其示出了图3所示的电路原理图中各个器件的取值。
表1
对于测量电路中的关键电阻(R1,R2,R4,R5,R7,R16,R8,R10,R11,R12,R13,R15,R17,R18,R19,R20,R28,R29,R30)均采用低温飘精密电阻，使系统在整个使用温度区内，均有最低的温飘与时飘。
校准电路中当4052_A＝1，4052_B＝1时，Vin+＝0V、Vin-＝0V，即差分仪表放大器输入0V，可计算出Vb值；当4052_A＝0，4052_B＝1时，可计算出I1值；当4052_A＝0，4052_B＝0时，可计算出Av值。
示例性的，如表2所示，其示出了校准电路中的4052_A、4052_B的信号真值表。
表2
| No. | 4052_A | 4052_B | 说明 |
| 1 | 0 | 0 | 100.0Ω-0.0℃温度零位 |
| 2 | 0 | 1 | 200.0Ω-266.6℃第一恒流源 |
| 3 | 1 | 0 | 200.0Ω-266.6℃第二恒流源 |
| 4 | 1 | 1 | 仪表放大器输入0V值 |
对于本发明实施例提供的精密测温系统，其具体的测温流程为：通过校准电路可得到Vb，Av，I，关闭回路的模拟开关；然后打开第一模拟开关测量出Vout后计算出第1通道的PT100传感器阻值，查表得到温度值，然后再打开第二模拟开关测量出Vout后计算出第2通道的PT100传感器阻值，查表得到温度值，以此类推，一直到第24通道的温度测量结束完成当前循环。
传统的单恒流源测量法需要测两次线内阻才能完成基本的电压差测量，而本申请提供的精密测温系统中第一恒流源和第二恒流源可以一次读入，测温速度快一倍。同时还解决了传统的单恒流源测量法在基准电压、电源系统瞬时变化时无法消除误差的问题，本申请提供的精密测温系统硬件电路上是联动作用，互相牵扯，系统电源的变化不会进入测量通道，基准电压的变化也会被抵消。
以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统，其特征在于，包括：至少两个三线制PT100温度传感器、与所述三线制PT100温度传感器数量相等的模拟开关和一个测量电路；所述三线制PT100温度传感器经过对应的模拟开关连接至所述测量电路；
所述测量电路包括第一恒流源、第二恒流源、第三恒流源、基准电路、偏置电路、差分仪表放大器、同向放大器、校准电路、MCU；每个所述模拟开关等效为第一模拟开关和第二模拟开关，所述第一模拟开关和所述第二模拟开关分别包括两路开关；
所述三线制PT100温度传感器的第一个输出分别与所述第一模拟开关和所述第二模拟开关中的第一路开关连接，第二个输出分别与所述第一模拟开关和所述第二模拟开关中的第二路开关连接，第三个输出接地；
所述第一恒流源的一端与所述第一模拟开关的第一路开关连接，所述第二恒流源的一端与所述第一模拟开关的第二路开关连接，所述第一恒流源和所述第二恒流源的另一端分别与所述第三恒流源连接；所述第三恒流源分别与所述基准电路和所述偏置电路连接，所述基准电路分别与所述偏置电路和所述MCU连接，所述偏置电路与所述同向放大器连接，所述同向放大器与所述MCU连接；所述第二模拟开关的两路开关与所述差分仪表放大器连接，所述差分仪表放大器与所述同向放大器连接；所述第一模拟开关和所述第二模拟开关的两路开关均与所述校准电路连接，所述校准电路与所述MCU连接。
2.根据权利要求1所述的应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统，其特征在于，所述第一恒流源经过所述第一模拟开关流进所述三线制PT100温度传感器的正端，所述第二恒流源经过所述第一模拟开关流进所述三线制PT100温度传感器的负端，所述第三恒流源通过所述基准电路产生恒定的电压提供给所述第一恒流源和所述第二恒流源作为基准，所述基准电路还提供基准电压给所述MCU的ADC数模转换器。
3.根据权利要求1所述的应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统，其特征在于，所述三线制PT100温度传感器的正端和负端经过所述第二模拟开关到所述差分仪表放大器，与所述偏置电路进到所述同向放大器，所述同向放大器将信号放大后送入所述MCU转换成数字量用于系统控制。
4.根据权利要求1所述的应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统，其特征在于，所述三线制PT100温度传感器包括热敏电阻、第一引线内阻、第二引线内阻、第三引线内阻；所述第一引线内阻、所述第二引线内阻、所述第三引线内阻并联，所述热敏电阻与所述第一引线内阻串联；所述第一引线内阻引出第一个输出，所述第二引线内阻引出第二个输出，所述第三引线内阻引出第三个输出。
5.根据权利要求1所述的应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统，其特征在于，所述校准电路通过所述第一模拟开关和所述第二模拟开关切换校准源和标准电阻；
所述校准电路的校准至少包括温度零位、第一恒流源电流、第二恒流源电流、仪表放大器的零位输入、同向放大器的放大倍数的校准。
6.根据权利要求1至5任一所述的应用于纺织加弹机中联苯加热箱的精密测温系统，其特征在于，所述模拟开关的型号为HEF4052BT(NXP)。
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