CN218386807U

CN218386807U - 一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路

Info

Publication number: CN218386807U
Application number: CN202222796659.5U
Authority: CN
Inventors: 丛俊杰; 罗杨
Original assignee: Beijing Prestron Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Prestron Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2022-10-24
Filing date: 2022-10-24
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2032-10-24

Abstract

本实用新型公开了一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路，包括热电阻激励恒流源、ADC电路、过压保护电路，过压保护电路串接在热电阻(RTD)和ADC电路、热电阻激励恒流源之间，热电阻激励恒流源通过接线端子为热电阻(RTD)提供激励电流，热电阻激励恒流源的一端与过压保护电路连接，其中两组过压保护电路的一端与改进恒流源电路连接，另外两组过压保护电路的一端均与ADC电路连接，其中还有一组压保护电路接地。本实用新型使得热电阻通道具备过压保护能力，当通道误接24V电压时，通道不被损坏，减少了现场使用、调试接线的损坏概率，提高了产品的容错性，适合推广应用到产品中。

Description

一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路

技术领域

本实用新型涉及工业控制技术领域，具体来说，涉及一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路。

背景技术

DCS(Distributed Control System，分布式控制系统)、PLC(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)等控制系统在工业现场实际使用的过程中，由于工业现场环境较恶劣，接线工作量较大，难免会有接线错误，特别是对于模拟量输入通道，需注意过压保护，因为在模拟量通常中，通常的工作电压是5V或3.3V，而DCS、PLC的DC电源通常为24V，测试或者在现场调试的时候，调试者很容易将24V电源接到DCS、PLC的模拟量输入I/O通道，如果没有保护的话，模拟量通道会出现损坏，影响现场使用。

热电阻信号就属于模拟量输入信号，是DCS、PLC温度信号的常用测量方式，热电阻不能直接读取，通常主流的方式是通过使用恒流源激励热电阻产生电压，通过采集热电阻电压来计算测得的电阻，然后通过电阻值查询实际测得的温度。

目前采集热电阻这种小信号高精度ADC的多为5V或3.3V的器件，其管脚耐压通常为5.5V，如果不加防护的情况下，24V电源直接施加在通道上，芯片就会烧毁，而恒流源激励使用的运放通常为高精度的低压运放，其管脚耐压通常为7.3V，如果不加防护的情况下，24V电源直接施加在通道上，芯片就会烧毁，因此在热电阻采集通道进行不低于24V的过压防护对于现场使用防误接保护变得尤为重要。

实用新型内容

针对相关技术中的问题，本实用新型提出一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本实用新型采用的具体技术方案如下：

一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路，可用于DCS、PLC热电阻采集模块，包括热电阻激励恒流源、ADC电路、过压保护电路，过压保护电路串接在热电阻(RTD)和ADC电路、热电阻激励恒流源之间，热电阻激励恒流源通过接线端子为热电阻(RTD)提供激励电流，热电阻激励恒流源的两端均连接有若干端子，端子远离热电阻激励恒流源的一端均与过压保护电路连接，其中两组过压保护电路的一端与改进恒流源电路连接，另外两组过压保护电路的一端均与ADC电路连接，其中还有一组压保护电路接地。

进一步的，热电阻激励恒流源用于产生将热电阻的电阻信号转换为电压信号的恒流源；过压保护电路用于为改进恒流源电路输出和ADC电路的输入提供过压防护；改进恒流源电路用于原恒流源电路在串入过压保护电路后，为保证恒流源能正常激励热电阻而做出的参数调整；ADC电路用于将信号调理电路输出的电压信号转换为数字量信号。

进一步的，热电阻激励恒流源包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、运算放大器U1及运算放大器U2；其中，运算放大器U1的反向输入端分别与电阻R1的一端及电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端分别与运算放大器U1的输出端及电阻R5的一端连接；运算放大器U1的正向输入端分别与电阻R3的一端及电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端分别与运算放大器U2的输出端及运算放大器U2的反向输入端连接；运算放大器U2的正向输入端分别与电阻R5的另一端及热电阻的一端连接，热电阻的另一端接地。

进一步的，过压保护电路包括电阻R6、二极管D1和二极管D2；其中，电阻R6的一端分别与二极管D1的正极及二极管D2的负极连接。

进一步的，改进恒流源电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、二极管D3、二极管D4、运算放大器U3及运算放大器U4；其中，运算放大器U3的反向输入端分别与电阻R7的一端及电阻R8的一端连接，电阻R7的另一端接地，电阻R8的另一端分别与运算放大器U3的输出端及电阻R11的一端连接；运算放大器U3的正向输入端分别与电阻R9的一端及电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与运算放大器U4的输出端及运算放大器U4的反向输入端连接；运算放大器U4的正向输入端分别与电阻R11的另一端及电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端分别与二极管D3的正极、二极管D4的负极及热电阻的一端连接，热电阻的另一端接地。

进一步的，ADC电路包括芯片U33、芯片U43、芯片U74、合闸线圈Y9、电阻R51、电阻R66、电阻R67、电阻R74及电阻R78；其中，芯片U43的VDD引脚分别与芯片U43的POWN引脚、电阻R51的一端、电阻R78的一端、芯片U33的第一引脚、芯片U33的第五引脚、芯片U74的第一引脚、芯片U74的第五引脚、电阻R67的一端、电阻R66的一端、电阻R74的一端、合闸线圈Y9的第一引脚及第二引脚连接；芯片U43的XIN引脚与合闸线圈Y9的第三引脚连接，芯片U43的VREF-引脚分别与合闸线圈Y9的第二引脚、芯片U43的AIN2引脚、AIN3引脚及GND引脚连接；芯片U43的SCLK引脚分别与电阻R67的另一端、电阻R66的另一端及电阻R74的另一端连接；芯片U43的DRDY引脚分别与电阻R78的另一端及芯片U74的第二引脚连接，芯片U43的DOUT引脚分别与电阻R51的另一端及芯片U33的第二引脚连接。

本实用新型的有益效果为：通过在热电阻采集通道上增加过压保护电路，同时调整恒流源电路的工作电压，以增加驱动负载能力，使得热电阻通道具备过压保护能力，当通道误接24V电压时，通道不被损坏，减少了现场使用、调试接线的损坏概率，提高了产品的容错性，适合推广应用到产品中。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例的一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路的整体电路图；

图2是根据本实用新型实施例的一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路中过压保护电路图；

图3是根据本实用新型实施例的一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路中前向导通电压示意图；

图4是根据本实用新型实施例的一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路中热电阻激励恒流源电路图；

图5是根据本实用新型实施例的一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路中改进恒流源电路图；

图6是根据本实用新型实施例的一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路中ADC电路图。

图中：

1、电阻激励恒流源；2、端子；3、过压保护电路；4、改进恒流源电路；5、ADC电路。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图，这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本实用新型的实施例，提供了一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路。

首先需要说明的是，热电阻测量原理可以理解为：热电阻激励电路产生一个恒流源I₁，当I₁流过热电阻R时，会在热电阻上产生电压Ua、U_b，Ua、U_b以差分电压的形式通过ADC采样电路转换数字量，在通过软件进行计算得到热电阻的阻值(R＝Ua-U_b/I₁，其中I₁为已知固定值电流)，进而通过查表或计算的方式换算成现场温度，恒流源电路I₂与恒流源电路I₂大小相同，用于抵消三线制接线时的线电阻。

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明，如图1-图6所示，根据本实用新型实施例的适用于热电阻采集的通道过压保护电路，该电路是过压保护电路可用于热电阻采集电路，而不影响热电阻采集精度，具体包括热电阻激励恒流源1、ADC电路5、过压保护电路3，过压保护电路3串接在热电阻(RTD)和ADC电路5、热电阻激励恒流源1之间，热电阻激励恒流源1通过接线端子2为热电阻(RTD)提供激励电流，热电阻激励恒流源1的一端与过压保护电路3连接，其中两组过压保护电路3的一端与改进恒流源电路4连接，另外两组过压保护电路3的一端均与ADC电路5连接，其中还有一组压保护电路3接地。

在一个实施例中，热电阻激励恒流源1用于产生将热电阻的电阻信号转换为电压信号的恒流源；

过压保护电路3用于当恒流源的输出到热电阻的接线端子上有高于恒流源产生电路的电源电压时，保护恒流源电路不因过压而损坏，即用于为改进恒流源电路4输出和ADC电路5的输入提供过压防护；

改进恒流源电路4用于原恒流源电路在串入过压保护电路后，为保证恒流源能正常激励热电阻而做出的参数调整；

ADC电路5用于将信号调理电路输出的电压信号转换为数字量信号。

在一个实施例中，热电阻激励恒流源1包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、运算放大器U1及运算放大器U2；

其中，运算放大器U1的反向输入端分别与电阻R1的一端及电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端分别与运算放大器U1的输出端及电阻R5的一端连接；运算放大器U1的正向输入端分别与电阻R3的一端及电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端分别与运算放大器U2的输出端及运算放大器U2的反向输入端连接；运算放大器U2的正向输入端分别与电阻R5的另一端及热电阻的一端连接，热电阻的另一端接地。

具体的，本实施中的热电阻激励恒流源为采用双通道运放及精密电阻R1、R2、R3、R4、R5实现恒流输出的典型电路，其中R1、R2、R3、R4电阻值相同，计算可得输出电流I_OUT＝REF2.5/R5，因此在REF保持不变的情况下，可以通过调整R5的大小来调整恒流源电流大小。

在一个实施例中，过压保护电路3包括电阻R6、二极管D1和二极管D2；

其中，电阻R6的一端分别与二极管D1的正极及二极管D2的负极连接。

具体的，根据ADS1242手册中的数据，其输入管脚AIN0、AIN1可以承受的最大电压为工作电压负–0.5V到工作电压正+0.5V；最大电流为10mA，最大电流不超过10mA，依靠限流电阻实现，针对24V输入的过压，要限流不超过10mA，R6的电阻应不低于240欧姆，D1、D2用于实现AIN0、AIN1的电压不超过工作电压负–0.5V到工作电压正+0.5V，因此D1、D2的正向导通电压不高于0.5V，二极管选择PMEG10020AELP，其前向导通电压如图3所示，要保证全温度范围内压降不超过0.5V，则需要输入电流不超过1mA，因此综合前面的限流10mA的要求，R6电阻不应低于2400欧姆。

在一个实施例中，改进恒流源电路4包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、二极管D3、二极管D4、运算放大器U3及运算放大器U4；

其中，运算放大器U3的反向输入端分别与电阻R7的一端及电阻R8的一端连接，电阻R7的另一端接地，电阻R8的另一端分别与运算放大器U3的输出端及电阻R11的一端连接；运算放大器U3的正向输入端分别与电阻R9的一端及电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与运算放大器U4的输出端及运算放大器U4的反向输入端连接；运算放大器U4的正向输入端分别与电阻R11的另一端及电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端分别与二极管D3的正极、二极管D4的负极及热电阻的一端连接，热电阻的另一端接地。

具体的，本实施中改进恒流源电路是在原来恒流源电路的基础上增加了过压保护电路，因为在通道中串入限流电阻，图4中的双通道运放需要使用24V供电的运放。

在一个实施例中，ADC电路5包括芯片U33、芯片U43、芯片U74、合闸线圈Y9、电阻R51、电阻R66、电阻R67、电阻R74及电阻R78；

其中，芯片U43的VDD引脚分别与芯片U43的POWN引脚、电阻R51的一端、电阻R78的一端、芯片U33的第一引脚、芯片U33的第五引脚、芯片U74的第一引脚、芯片U74的第五引脚、电阻R67的一端、电阻R66的一端、电阻R74的一端、合闸线圈Y9的第一引脚及第二引脚连接；芯片U43的XIN引脚与合闸线圈Y9的第三引脚连接，芯片U43的VREF-引脚分别与合闸线圈Y9的第二引脚、芯片U43的AIN2引脚、AIN3引脚及GND引脚连接；芯片U43的SCLK引脚分别与电阻R67的另一端、电阻R66的另一端及电阻R74的另一端连接；芯片U43的DRDY引脚分别与电阻R78的另一端及芯片U74的第二引脚连接，芯片U43的DOUT引脚分别与电阻R51的另一端及芯片U33的第二引脚连接。

具体的，本实施例中ADC芯片选用的是TI的ADS1242，ADC采用1对差分模拟量输入的方式采集通道信号(热电阻在恒流源激励下产生的电压Ua、U_b接入AIN0、AIN1)，由于需外接2.5V基准源，因此将基准源输出的信号REF2.5V接至ADC芯片的VREF+引脚(外部基准源输入引脚)。

综上所述，借助于本实用新型的上述技术方案，通过在热电阻采集通道上增加过压保护电路，同时调整恒流源电路的工作电压，以增加驱动负载能力，使得热电阻通道具备过压保护能力，当通道误接24V电压时，通道不被损坏，减少了现场使用、调试接线的损坏概率，提高了产品的容错性，适合推广应用到产品中。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路，包括热电阻激励恒流源(1)，该热电阻激励恒流源(1)的两端均连接有若干端子(2)，其特征在于：

所述端子(2)远离所述热电阻激励恒流源(1)的一端均与过压保护电路(3)连接，其中两组所述过压保护电路(3)的一端与改进恒流源电路(4)连接，另外两组所述过压保护电路(3)的一端均与ADC电路(5)连接，其中还有一组所述压保护电路(3)接地。

2.根据权利要求1所述的一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路，其特征在于，所述热电阻激励恒流源(1)用于产生将热电阻的电阻信号转换为电压信号的恒流源；

所述过压保护电路(3)用于为所述改进恒流源电路(4)输出和所述ADC电路(5)的输入提供过压防护；

所述改进恒流源电路(4)用于原恒流源电路在串入过压保护电路后，为保证恒流源能正常激励热电阻而做出的参数调整；

所述ADC电路(5)用于将信号调理电路输出的电压信号转换为数字量信号。

3.根据权利要求1所述的一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路，其特征在于，所述热电阻激励恒流源(1)包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、运算放大器U1及运算放大器U2；

其中，所述运算放大器U1的反向输入端分别与所述电阻R1的一端及所述电阻R2的一端连接，所述电阻R1的另一端接地，所述电阻R2的另一端分别与所述运算放大器U1的输出端及所述电阻R5的一端连接；

所述运算放大器U1的正向输入端分别与所述电阻R3的一端及所述电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端分别与所述运算放大器U2的输出端及所述运算放大器U2的反向输入端连接；

所述运算放大器U2的正向输入端分别与所述电阻R5的另一端及热电阻的一端连接，所述热电阻的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路，其特征在于，所述过压保护电路(3)包括电阻R6、二极管D1和二极管D2；

其中，所述电阻R6的一端分别与所述二极管D1的正极及所述二极管D2的负极连接。

5.根据权利要求4所述的一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路，其特征在于，所述改进恒流源电路(4)包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、二极管D3、二极管D4、运算放大器U3及运算放大器U4；

其中，所述运算放大器U3的反向输入端分别与所述电阻R7的一端及所述电阻R8的一端连接，所述电阻R7的另一端接地，所述电阻R8的另一端分别与所述运算放大器U3的输出端及所述电阻R11的一端连接；

所述运算放大器U3的正向输入端分别与所述电阻R9的一端及所述电阻R10的一端连接，所述电阻R10的另一端分别与所述运算放大器U4的输出端及所述运算放大器U4的反向输入端连接；

所述运算放大器U4的正向输入端分别与所述电阻R11的另一端及所述电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端分别与所述二极管D3的正极、所述二极管D4的负极及热电阻的一端连接，所述热电阻的另一端接地。

6.根据权利要求1所述的一种适用于热电阻采集的通道过压保护电路，其特征在于，所述ADC电路(5)包括芯片U33、芯片U43、芯片U74、合闸线圈Y9、电阻R51、电阻R66、电阻R67、电阻R74及电阻R78；

其中，所述芯片U43的VDD引脚分别与所述芯片U43的POWN引脚、所述电阻R51的一端、所述电阻R78的一端、所述芯片U33的第一引脚、所述芯片U33的第五引脚、所述芯片U74的第一引脚、所述芯片U74的第五引脚、所述电阻R67的一端、所述电阻R66的一端、所述电阻R74的一端、所述合闸线圈Y9的第一引脚及第二引脚连接；

所述芯片U43的XIN引脚与所述合闸线圈Y9的第三引脚连接，所述芯片U43的VREF-引脚分别与所述合闸线圈Y9的第二引脚、所述芯片U43的AIN2引脚、AIN3引脚及GND引脚连接；

所述芯片U43的SCLK引脚分别与所述电阻R67的另一端、所述电阻R66的另一端及所述电阻R74的另一端连接；

所述芯片U43的DRDY引脚分别与所述电阻R78的另一端及所述芯片U74的第二引脚连接，所述芯片U43的DOUT引脚分别与所述电阻R51的另一端及所述芯片U33的第二引脚连接。