CN216770824U - 一种热电阻感温元件的测量及故障诊断电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种热电阻感温元件的测量及故障诊断电路的电路，主要由被测热电阻R_t、电阻R₁和R₂、双恒流源I₁和I₂、模/数转换器U₁、模/数转换器的差分输入+2.5V偏置电压、光隔离单元、MCU微处理器组成。本实用新型实现的电路简单、可靠，用+2.5V作差分输入的共模偏置电压，不仅提高了差分信号输入范围(比如，原信号输入范围：0～+2.5V，现信号输入范围：‑2.5V～+2.5V)，并且给模/数转换器ADC提供了最佳共模偏置电压，从而提高测量装置在工业现场信号测量抗干扰能力。本实用新型提供的电路不仅适用于单通道热电阻三线制测量，也适用于多通道热电阻三线制测量的计算机控制装置。

Description

一种热电阻感温元件的测量及故障诊断电路

技术领域

本实用新型涉及一种工业生产过程控制中温度智能测量装置。

背景技术

在工业生产过程控制中，温度是测量和控制的重要热工参数之一。由于热电阻一次元件性能稳定、测量精度高、易加工，被广泛应用于工业生产过程温度测量控制领域。热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的感温元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或其它二次仪表上。为了既保证温度测量精度又节省信号电缆铺设安装费用，热电阻测量通常采用三线制接线方式。

一般电阻信号测量有电桥和恒流源二种方式。由于恒流源测量方式是用恒定电流流过被测电阻，在电阻两端产生电压的方式，在工业现场信号测量抗干扰能力强，所以被广泛采用。并且，为了能自动补偿导线电阻带来的误差而提高测量精度，热电阻三线制测量方式通常采用双恒流源方式。

但在实际应用中，热电阻元件常因高温而机械损伤，或连接导线松动问题而出现故障。为了避免热电阻故障后，测量装置提供错误温度数据造成工业设备损坏的严重后果，测量装置需要热电阻引线断线故障诊断电路。

一般热电阻三线制测量方式电路如图1所示，电路信号转换过程如下：

1.恒流源I₁从A端流进，经线路电阻R_LA、热电阻R_t、线路电阻R_LC到C端流出，再流过电阻R₀回到参考地GND；

2.恒流源I₂从B端流进，经线路电阻R_LB、线路电阻R_LC到C端流出，再流过电阻R₀回到参考地GND；

3.根据公式U_AB＝U_A-U_B＝[R_LA×I₁+R_t×I₁+(R_LC+R₀)×(I₁+I₂)]-[R_LB×I₂+(R_LC+R₀)×(I₁+I₂)]，由于双恒流源相等，即I₁＝I₂，连接导线采用同一根多芯电缆线，即R_LA＝R_LB＝R_LC，于是，U_AB＝R_t×I₁。

4.A、B两端的差分电压U_AB由模/数转换器(ADC)U₁转换成数字量经光隔离U₂给微处理器MCU U₃，得到相当于热电阻R_t两端的电压值V_Rt，即V_Rt＝G×R_t×I₁，其中，G为模/数转换器U₁的差分运放增益。

5.同理，如果测量装置自校时，用高精度300Ω阻值的电阻R_G替换热电阻R_t，就能得到V_RG＝G×R_G×I₁＝G×300×I₁。于是V_Rt＝G×R_t×I₁，V_RG＝G×300×I₁，从而得到热电阻的测量值为R_t＝300×V_Rt/V_RG。

6.电阻R₀的作用是增加模/数转换器U₁差分输入的共模偏置电压，一般电阻R₀的值取大于等于100Ω。

表1为热电阻R_t三根连接导线A、B、C可能连接的组合，有些连接组合A、B两端差分输入电压值不能确定，因此测量装置不能很好地诊断出热电阻连接导线断路故障。表1中，“0”表示“断开”，“1”表示“连通”。

表1

发明内容

本实用新型的目的是：提供一种测量电路既可以可靠地测量热电阻值，又可以诊断出热电阻连接导线断线故障，并且电路实现简单、可靠。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种热电阻感温元件的测量及故障诊断电路，包括电阻R₁和电阻R₂；电阻R₁的一端经由导线一连接被测热电阻R_t或电阻R_G的一端，电阻R₁的另一端与模/数转换器的同相输入端相连；电阻R₂的一端经由导线二连接被测热电阻R_t或电阻R_G的另一端，电阻R₂的另一端与模/数转换器的反相输入端相连；被测热电阻R_t或电阻R_G的另一端经由导线三连接电阻R₀，电阻R₀接参考地GND₁；在电阻R₁与被测热电阻R_t或电阻R_G之间接入恒流源I₁，在电阻R₂与被测热电阻R_t或电阻R_G之间接入恒流源I₂；模/数转换器的输出端经由光隔离单元连接微处理器，其特征在于，基准电压源输出的+2.5V偏置电压接入模/数转换器的反相输入端；基准电压源输出的+2.5V偏置电压接参考地GND₂，模/数转换器接参考地GND₂；参考地GND₂与参考地GND₁互相隔离。

本实用新型实现的电路简单、可靠，用+2.5V作差分输入的共模偏置电压，不仅提高了差分信号输入范围(比如，原信号输入范围：0～+2.5V，现信号输入范围：-2.5V～+2.5V)，并且给模/数转换器ADC提供了最佳共模偏置电压，从而提高测量装置在工业现场信号测量抗干扰能力。本实用新型提供的电路不仅适用于单通道热电阻三线制测量，也适用于多通道热电阻三线制测量的计算机控制装置。

附图说明

图1示意了一般热电阻三线制测量方式电路；

图2示意了本实用新型提供的本实用新型热电阻三线制方式测量电路的电路原理图。

具体实施方式

本说明书中附图所显示的大小、比例等只是示意性的，用以配合说明书所描述的内容，并非用以限定本实用新型的实施条件，不影响本实用新型所产生的功效。本说明书中所述的“上”、“下”、“内”、“外”等位置关系仅是为了方便描述，而非用以限定本实用新型的可实施范围，其相对关系的改变，在无实质变更技术内容下亦视为本实用新型的可实施范畴。

图2为本实用新型提供的一种热电阻感温元件的测量及故障诊断电路的电路原理图，主要由被测热电阻R_t、电阻R₁和R₂(R1＝R2＝1kΩ)、双恒流源I₁和I₂(I₁＝I₂)、模/数转换器U₁、模/数转换器U₁的差分输入+2.5V偏置电压、光隔离单元U₂、MCU微处理器U₃组成。其中，双恒流源I₁和I₂及热电阻R_t测量的参考地GND₁与模/数转换器U₁、+2.5V偏置电压的参考地GND₂互相隔离，不共地。

图2所示电路的工作原理为：

1、恒流源I₁从A端流进，经线路电阻R_LA、热电阻R_t、线路电阻R_LC到C端流出，再流过电阻R₀回到参考地GND₁；

2、恒流源I₂从B端流进，经线路电阻R_LB、线路电阻R_LC到C端流出，再流过电阻R₀回到参考地GND₁；

3、根据公式U_AB＝U_A-U_B＝[R_LA×I₁+R_t×I₁+(R_LC+R₀)×(I₁+I₂)]-[R_LB×I₂+(R_LC+R₀)×(I₁+I₂)，由于双恒流源相等，即I₁＝I₂，连接导线采用同一根多芯电缆线，即R_LA＝R_LB＝R_LC，于是，U_AB＝R_t×I₁。

4、U_b＝2.5V，U_a＝U_b+U_AB＝2.5+R_t×I₁，U_ab＝U_a-U_b＝(2.5+R_t×I₁)-2.5＝R_t×I₁。差分电压U_ab由模/数转换器U₁转换成数字量经光隔离单元U₂给微处理器MCU U₃，得到相当于热电阻R_t两端的电压值V_Rt，即V_Rt＝G×R_t×I₁，G为模/数转换器U₁的差分运放增益。

5、同理，如果测量装置自校时，用高精度300Ω阻值的电阻R_G替换热电阻R_t，就能得到V_RG＝G×R_G×I₁＝G×300×I₁。于是V_Rt＝G×R_t×I₁，V_RG＝G×300×I₁，从而得到热电阻的测量值为R_t＝300×V_Rt/V_RG。

6、模/数转换器U₁的差分输入负端接+2.5V偏置电压，这样差分输入A、B两端开路时，U_b＝2.5V，U_a＝U_b＝2.5V，U_ab＝0V。为了不影响模/数转换器U₁的差分运放增益，+2.5V偏置电压由高精度基准电压源产生。并且，+2.5V电压符合+5V/2的最佳差分输入偏置电压要求。本实用新型中的电路关键点在于：+2.5V偏置电压、模/数转换器U₁的地与热电阻、恒流源电路的地互相隔离，不共地。如果共地，则+2.5V偏置电压就会被下拉成热电阻R_t的B端电压值。

表2为热电阻Rt三根连接导线A、B、C可能连接的组合，每种接线组合，a、b两端差分输入电压U_ab都能确定，因此测量装置能诊断出热电阻连接导线断路故障。表2中，“0”表示“断开”，“1”表示“连通”。

表2

这样，用本实用新型提供的电路既可实现工业上热电阻实时测量的高精度要求，又能对热电阻引线断线问题作出故障诊断。

Claims (1)

1.一种热电阻感温元件的测量及故障诊断电路，包括电阻R₁和电阻R₂；电阻R₁的一端经由导线一连接被测热电阻R_t或电阻R_G的一端，电阻R₁的另一端与模/数转换器的同相输入端相连；电阻R₂的一端经由导线二连接被测热电阻R_t或电阻R_G的另一端，电阻R₂的另一端与模/数转换器的反相输入端相连；被测热电阻R_t或电阻R_G的另一端经由导线三连接电阻R₀，电阻R₀接参考地GND₁；在电阻R₁与被测热电阻R_t或电阻R_G之间接入恒流源I₁，在电阻R₂与被测热电阻R_t或电阻R_G之间接入恒流源I₂；模/数转换器的输出端经由光隔离单元连接微处理器，其特征在于，基准电压源输出的+2.5V偏置电压接入模/数转换器的反相输入端；基准电压源输出的+2.5V偏置电压接参考地GND₂，模/数转换器接参考地GND₂；参考地GND₂与参考地GND₁互相隔离。

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