CN204064496U - 一种高可靠精确测温电路 - Google Patents

Abstract

一种高可靠精确测温电路，涉及测温领域。为了实现测得的温度值具有较高的测量精度(1℃以内的测量误差)和很高的可靠性要求；且能够实现IMU设备随导弹离开发射车时的状态实时显示的问题。它包括恒流源采样电路、运算电路和状态检测电路。恒流源采样电路为采样电阻提供恒流源，并输出温度采样信号；运算和显示电路对温度采样信号进行运算处理，输出信号至面板数字表进行显示；状态检测电路检测采样线通、断状态，并控制外部数字表的显示。所述测温电路能够承受-40℃～+60℃的环境温度，具有简单、成本低、可靠性高、抗振性好，精度好的特点，可广泛应用于车载导弹武器系统中IMU设备的温度检测。本实用新型还适用于其他装置的测温。

Description

一种高可靠精确测温电路

技术领域

本实用新型涉及测温领域，特别涉及一种用于车载导弹武器系统中IMU(惯性测量单元)设备的一种高可靠的测温电路。

背景技术

IMU(惯性测量单元)是整个导弹武器控制系统最精密的部分，它包括了惯导加速度计、惯导陀螺仪等，而这些设备性能受温度影响很大，所以必须辅以精密的温控系统。为了使IMU设备快速达到预定的温度，车载导弹武器系统通常会在导弹运输过程中给IMU设备进行预加温，以保证导弹在到达阵地时能迅速进入作战状态。本实用新型所述的测温电路作为IMU加温控制组合中的一项功能起着极为重要的作用。

测量温度的方法有很多，根据采样的方式可以分为接触式和非接触式。接触式包括有热电偶、热电阻、传感芯片等，非接触式包括红外测温仪等。接触式传感器精度较高，通常精度可以达到0.5％以内，但需要与被测物体进行充分的热交换，需经过一定的时间后才能达到热平衡，存在着测温的延迟现象。红外温度仪因具有使用方便，反应速度快，灵敏度高，测温范围广，但是精度较低。

目前在军用范围内使用最广泛的温度传感器主要有热电偶和热电阻，例如铂热电阻就是使用最广泛的传感器之一。

铂电阻是用很细的铂丝(Ф0.03～0.07mm)绕在云母支架上制成，是国际公认的高精度测温标准传感器。因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点。因此铂电阻在中温(-200～650℃)范围内得到广泛应用。

现有的采用铂电阻测量温度一般有两种方案：1)、设计一个恒流源通过铂电阻，通过检测铂电阻电压的变化来换算出温度；2)、采用惠斯通电桥(Wheatstone bridge)，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用铂电阻，当铂电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度，如图6所示。以上两种方法测量原理相同，都是采样铂电阻两端电压，将电压信号送运算电路或单片机做信号处理后显示成温度信号。比较以上分析的两种铂电阻的测量方式，电桥法测量电阻时如图6所示，当铂电阻随温度变化时，电桥不平衡，所测的B、D两点电势差与铂电阻阻值不成线性关系，且计算公式较为复杂，若直接采样计算会使后级的信号运算电路变的庞大或者使单片机的程序编写增加难度，这种方式通常采用单片机直接查表然后加入插值线性化算法进行处理。而恒流源采样方式则可以省去了线性化算法处理的步骤，可以通过A\D转换后单片机运算显示也可以直接经运算放大器处理以模拟方式显示，应用方式灵活多样。

但是上述两种测温方法，在较宽温度范围(-40℃～+60℃)和震动的环境中，测得的温度的精度比较低，且不能满足军用设备的可靠性的要求。

实用新型内容

本实用新型为了实现在较宽温度范围(-40℃～+60℃)和震动的环境中，针对车载导弹武器系统中IMU(惯性测量单元)设备的测温，实现测得的温度值具有较高的测量精度(1℃以内的测量误差)和很高的可靠性要求(MTBF)；且能够实现IMU设备随导弹离开发射车时的状态实时显示的问题，提出了一种高可靠精确测温电路。

一种高可靠精确测温电路，它包括恒流源采样电路1A、运算电路2A和状态检测电路3A；恒流源采样电路1A用于为采样电阻提供恒流源，并输出温度采样信号给运算电路2A；运算电路2A用于对温度采样信号进行运算处理，并输出处理后的温度采样信号；状态检测电路3A用于检测连接恒流源采样电路与运算电路的采样线的通、断状态，并控制外部数字表的显示。

一种高可靠精确测温电路，它还包括数字表4A，数字表4A用于显示处理后的温度采样信号。

本实用新型所述的测温电路以恒流源采样电路为基础，以运算放大器作信号处理的模拟电路方式。根据欧姆定律，V＝I×R，使铂电阻通过恒定的电流，测量其两端的电压值，其电压值对应某温度时的电阻值，将该电压信号用运算放大器处理后送表头显示，即可显示当前温度。恒流源采样方式的铂电阻与两端的电势差线性度好，可以省去线性化算法处理的步骤，可以通过A\D转换后单片机运算显示也可以直接经运算放大器处理以模拟方式显示，应用方式灵活多样。采用本实用新型所述的测温电路，在较宽温度范围(-40℃～+60℃)和震动的环境中，测得的温度值仍较高的测量精度(1℃以内的测量误差)和很高的可靠性，相比现有测温电路，可靠性提高了20％以上；且能够实现IMU设备随导弹离开发射车时的状态实时显示。

本实用新型还适用于其他装置的测温。

附图说明

图1为本实用新型所提供一种高可靠精确测温电路的框体连接示意图；

图2为恒流源采用电路的电路示意图；

图3为运算电路的电路示意图；

图4为状态检测电路的电路示意图；

图5为本实用新型所提供的一种高可靠精确测温电路的各部分电路连接关系图；

图6为背景技术中所述的电桥法测量电阻的电路图；

其中，1A为恒流源采样电路；2A为运算电路、3A为状态检测电路，4A为数字表，Temp为采样信号。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种高可靠精确测温电路，它包括恒流源采样电路1A、运算电路2A和状态检测电路3A；恒流源采样电路1A用于为采样电阻提供恒流源，并输出温度采样信号给运算电路2A；运算电路2A用于对温度采样信号进行运算处理，并输出处理后的温度采样信号；状态检测电路3A用于检测连接恒流源采样电路与运算电路的采样线的通、断状态，并控制外部数字表的显示。

本实用新型所述的测温电路由于所用元器件体积小，结构简单，最终印刷电路板尺寸仅为58mm×45mm，可以方便安装在IMU加温控制组合的机箱中，并随整机通过了高低温环境试验、振动试验以及运输试验。为保证测量精度，实际电路中运放使用了精度较高的工业级OP177运算放大器以及1‰精度的国军标电阻，而这些器件都能在-40℃～+60℃温度范围内正常稳定工作。在5米距离测温试验中，精度仍可以保持在±0.3℃内；若采用截面积较大的镀银采样线并调节基准，仍能在10米距离内保持±0.5℃以内的测量精度。另外，由于本实用新型采用器件较少，能有效的降低成本，并使得累计失效率低，从而达到了高可靠性指标(MTBF)。

具体实施方式二、本实施方式是对具体方式一所述的一种高可靠精确测温电路的进一步说明，本实施方式中，它还包括数字表(4A)，数字表(4A)用于显示处理后的温度采样信号。

具体实施方式三、参照图2至图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体方式二所述的一种高可靠精确测温电路的进一步说明，本实施方式中，恒流源采样电路(1)包括运算放大器N1、电容C3、电容C5、电阻R6、电阻R8、电阻R9、跟随器N2、电容C4、电容C6、电阻R5、电阻R7和铂电阻pt；

电容C3的一端接地，另一端同时连接+12V电源及运算放大器N1的正电源接线端；电容C5的一端接地，另一端同时连接-12V电源及运算放大器N1的负电源接线端；

电容C4的一端接地，另一端同时连接+12V电源及跟随器N2的正电源接线端；电容C6的一端接地，另一端同时连接-12V电源及跟随器N2的负电源接线端；

电阻R7的一端与运算放大器N1的输出接线端相连，另一端与跟随器N2的正输入接线端及铂电阻pt的一端相连，铂电阻pt的一端即为采样信号的输出端，铂电阻pt的另一端同时连接地及电阻R8的一端；电阻R8的另一端连接运算放大器N1的负输入接线端；电阻R6的一端连接+5V电源，电阻R6的另一端同时连接运算放大器N1的正输入接线端及电阻R5的一端；电阻R5的另一端连接跟随器N2的输出接线端；跟随器N2的输出接线端连接跟随器N2的负输入接线端；

运算电路(2)包括跟随器N3、电容C7、电容C10、电阻R13、电阻R15、电阻R18、电阻R19、减法器N4、电容C8、电容C11、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R14、电阻R17、滤波电阻R16和滤波电容C9；

电容C7的一端接地，另一端同时连接+12V电源及跟随器N3的正电源接线端；电容C10的一端接地，另一端同时连接-12V电源及跟随器N3的负电源接线端；

电容C8的一端接地，另一端同时连接+12V电源及减法器N4的正电源接线端；电容C11的一端接地，另一端同时连接-12V电源及减法器N4的负电源接线端；

电阻R13的一端连接恒流源采样电路(1)中的采样信号的输出端；电阻R13的另一端连接跟随器N3的正输入接线端；电阻R15的一端接地，电阻R15的另一端同时连接跟随器N3的负输入接线端及电阻R18的一端；电阻R18的另一端连接电阻R19的一端，电阻R19的另一端同时连接跟随器N3的输出接线端及电阻R14的一端；电阻R14的另一端同时连接电阻R10的一端及减法器N4的正输入接线端；电阻R10、电阻R11和电阻R12依次串联，且电阻R12的另一端接地；电阻R17的一端连接+5V基准电压，电阻R17的另一端同时连接减法器N4的负输入接线端及电阻R20的一端；电阻R20、电阻R21和电阻R22依次串联，且电阻R22的另一端同时连接减法器N4的输出接线端及电阻R16的一端，电阻R16的另一端同时连接数字表(4A)的显示接线端及电容C19的一端，电容C19的另一端接地；

状态检测电路(3)包括电阻R23、电阻R24、比较器N5、电容C12、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、光电耦合器Q1、三极管T2和二极管D1；光电耦合器Q1包括光敏二极管IRLED和三极管T1；

电阻R23和电阻R24构成分压电路；比较器N5、电容C12、电阻R28、电阻R29和电阻R30构成比较电路；光电耦合器Q1、三极管T2、电阻R31、电阻R32、电阻R33和电阻R34构成开关电路；

电阻R23的一端连接运算电路(2)中的电阻R19的另一端；电阻R23的另一端同时连接电阻R24的一端及比较器N5的正输入接线端；电阻R24的另一端接地；电阻R28的一端接+5V电源，电阻R28的另一端同时连接比较器N5的负输入接线端及电阻R29的一端，电阻R29的另一端同时连接比较器N5的负电源接线端及地；电容C12的一端接地，另一端同时连接+12V电源及比较器N5的正电源接线端；

电阻R30的一端连接比较器N5的正电源接线端，电阻R30的另一端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极同时连接比较器N5的输出接线端、电阻R32的一端及光敏二极管IRLED的负极；电阻R32的另一端同时连接电阻R31的一端及光敏二极管IRLED的正极，电阻R31的另一端连接+12V电源；

三极管T1中的发射极同时连接三极管T2的基极及电阻R34的一端，电阻R34的另一端连接三极管T2的发射极并接地；三极管T2的集电极连接电阻R33的一端，电阻R33的另一端连接三极管T1的集电极；电阻R33的一端作为数字表的显示接线端，且与数字表(4A)的显示接线端连接。

本实施方式中，所述的恒流源电路(1)中通过调节铂电阻阻值即可确定恒流值的大小。经电阻R16、C9滤波后输出至面板数字表。具体实施方式一中所述的连接恒流源采样电路与运算电路的采样线即为连接铂电阻和电阻R13之间的线。

本实用新型的工作原理：

下面结合附图1和图2详细描述本实用新型所提供的一种高可靠精确测温电路的工作原理。

(1)恒流源采样电路：

以电压源V2＝5V、电阻R5＝R6＝R7＝R8＝R9＝10K、电容C1＝C2＝C3＝C4＝0.1μF、铂电阻为Pt800为例说明该电路的工作原理。

根据运算放大器的“输入高阻”、“虚短”、“虚断”等特性进行分析：

因为，R5＝R6，则V2-V3＝V3-V1，V1+V2＝2V3；

则V4＝2V3；I×R7＝V4-V1＝2V3-V1＝2V3-(2V3-V2)＝V2，

则I＝V2/R7，所以流过电阻R7的电流为V2/R7，调节R7阻值即可确定恒流值的大小。

通常铂电阻的工作电流为小于1mA。此电路中为减小因铂电阻自身发热造成阻值变化的影响，取R7为10k，恒流值为0.5mA。

(2)运算电路

以电阻R13＝R14＝R15＝R17＝10K、R18＝100K、R19＝15K、R10＝R20＝22K、R11＝R21＝20K、R12＝R22＝0.1K、电容C7＝C8＝C9＝C10＝C11＝0.1μF为例说明该电路的工作原理。

由于铂电阻Pt800在0℃时电阻800Ω，测量范围为-40℃～+60℃，所以必须设置800Ω时0V作为基准，用放大后的电压减去基准，得出所要显示的电压值。故采用两级运放电路，前一级为采样和放大，后一级为减法器。采样信号Temp经跟随器N3放大后与基准电压+5Vref进行减法运算，输出电压经电阻R16，C9滤波后送至数字表进行显示。

(3)状态监测电路

以电阻R23＝R24＝10K、R30＝1M、R28＝3K、R29＝12K、R32＝R33＝R34＝1K、R31＝2K、电容C12＝0.1μF为例说明该电路的工作原理。

IMU设备温度范围为-40℃～+60℃，对应电压-4V～+6V，所以当采样电压超过8V，经电阻R23、R24分压后超过4V，此时比较器3脚电压大于2脚，比较器N5输出高电平，判定采样线悬空，从而光电耦合器Q1关断，三极管T2驱动电压降为0V，关断，此时数字表停止显示温度值，通过这种状态也可以判断出弹上IMU设备与发射车断开连接。

Claims (3)

1.一种高可靠精确测温电路，其特征在于，它包括恒流源采样电路(1A)、运算电路(2A)和状态检测电路(3A)；恒流源采样电路(1A)用于为采样电阻提供恒流源，并输出温度采样信号给运算电路(2A)；运算电路(2A)用于对温度采样信号进行运算处理，并输出处理后的温度采样信号；状态检测电路(3A)用于检测连接恒流源采样电路与运算电路的采样线的通、断状态，并控制外部数字表的显示。

2.根据权利要求1所述的一种高可靠精确测温电路，其特征在于，它还包括数字表(4A)，数字表(4A)用于显示处理后的温度采样信号。

3.根据权利要求2所述的一种高可靠精确测温电路，其特征在于，恒流源采样电路(1)包括运算放大器N1、电容C3、电容C5、电阻R6、电阻R8、电阻R9、跟随器N2、电容C4、电容C6、电阻R5、电阻R7和铂电阻pt；

电容C3的一端接地，另一端同时连接+12V电源及运算放大器N1的正电源接线端；电容C5的一端接地，另一端同时连接-12V电源及运算放大器N1的负电源接线端；

电容C4的一端接地，另一端同时连接+12V电源及跟随器N2的正电源接线端；电容C6的一端接地，另一端同时连接-12V电源及跟随器N2的负电源接线端；

电阻R7的一端与运算放大器N1的输出接线端相连，另一端与跟随器N2的正输入接线端及铂电阻pt的一端相连，铂电阻pt的一端即为采样信号的输出端，铂电阻pt的另一端同时连接地及电阻R8的一端；电阻R8的另一端连接运算放大器N1的负输入接线端；电阻R6的一端连接+5V电源，电阻R6的另一端同时连接运算放大器N1的正输入接线端及电阻R5的一端；电阻R5的另一端连接跟随器N2的输出接线端；跟随器N2的输出接线端连接跟随器N2的负输入接线端；

运算电路(2)包括跟随器N3、电容C7、电容C10、电阻R13、电阻R15、电阻R18、电阻R19、减法器N4、电容C8、电容C11、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R14、电阻R17、滤波电阻R16和滤波电容C9；

电容C7的一端接地，另一端同时连接+12V电源及跟随器N3的正电源接线端；电容C10的一端接地，另一端同时连接-12V电源及跟随器N3的负电源接线端；

电容C8的一端接地，另一端同时连接+12V电源及减法器N4的正电源接线端；电容C11的一端接地，另一端同时连接-12V电源及减法器N4的负电源接线端；

电阻R13的一端连接恒流源采样电路(1)中的采样信号的输出端；电阻R13的另一端连接跟随器N3的正输入接线端；电阻R15的一端接地，电阻R15的另一端同时连接跟随器N3的负输入接线端及电阻R18的一端；电阻R18的另一端连接电阻R19的一端，电阻R19的另一端同时连接跟随器N3的输出接线端及电阻R14的一端；电阻R14的另一端同时连接电阻R10的一端及减法器N4的正输入接线端；电阻R10、电阻R11和电阻R12依次串联，且电阻R12的另一端接地；电阻R17的一端连接+5V基准电压，电阻R17的另一端同时连接减法器N4的负输入接线端及电阻R20的一端；电阻R20、电阻R21和电阻R22依次串联，且电阻R22的另一端同时连接减法器N4的输出接线端及电阻R16的一端，电阻R16的另一端同时连接数字表(4A)的显示接线端及电容C19的一端，电容C19的另一端接地；

状态检测电路(3)包括电阻R23、电阻R24、比较器N5、电容C12、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、光电耦合器Q1、三极管T2和二极管D1；光电耦合器Q1包括光敏二极管IRLED和三极管T1；

电阻R23和电阻R24构成分压电路；比较器N5、电容C12、电阻R28、电阻R29和电阻R30构成比较电路；光电耦合器Q1、三极管T2、电阻R31、电阻R32、电阻R33和电阻R34构成开关电路；

电阻R23的一端连接运算电路(2)中的电阻R19的另一端；电阻R23的另一端同时连接电阻R24的一端及比较器N5的正输入接线端；电阻R24的另一端接地；电阻R28的一端接+5V电源，电阻R28的另一端同时连接比较器N5的负输入接线端及电阻R29的一端，电阻R29的另一端同时连接比较器N5的负电源接线端及地；电容C12的一端接地，另一端同时连接+12V电源及比较器N5的正电源接线端；

电阻R30的一端连接比较器N5的正电源接线端，电阻R30的另一端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极同时连接比较器N5的输出接线端、电阻R32的一端及光敏二极管IRLED的负极；电阻R32的另一端同时连接电阻R31的一端及光敏二极管IRLED的正极，电阻R31的另一端连接+12V电源；

三极管T1中的发射极同时连接三极管T2的基极及电阻R34的一端，电阻R34的另一端连接三极管T2的发射极并接地；三极管T2的集电极连接电阻R33的一端，电阻R33的另一端连接三极管T1的集电极；电阻R33的一端作为数字表的显示接线端，且与数字表(4A)的显示接线端连接。