CN2426143Y - 注塑成型机中的温度测量电路 - Google Patents

Abstract

一种用于注塑成型机的温度测量电路,包括:RC输入滤波器,抑制热电偶线带来的共模干扰;多路模拟开关,切换多路热电偶电压信号;差分放大器,对从多路模拟开关输入的信号差分放大;模拟到数字转换器(ADC),将差分放大的模拟信号转换为数字信号;陷波器,抑制强电网共模干扰;CPU,控制各器件的操作;冰点补偿电路,提供热电偶冰点补偿信号;和热电偶断线检测及报警电路,检测热电偶断线,当发现热电偶线断开时,CPU发出报警信号,切断加热器电源。

Description

注塑成型机中的温度测量电路

本实用新型涉及温度控制电路，特别涉及注塑成型机中的温度控制电路。

在注塑成型机中，闭环温度控制非常重要。通常料桶是分成若干段加热的，且每段的工作温度不一定相同。首先我们必须精确地测量出每段的温度，然后以适当的方式控制加热器加热，使料桶的每一段温度达到设定的温度。但是由于强的共模干扰和不同段热电偶电压信号间的相互偶合，使得精确地测量出每段温度并非是一件容易的事。

当前，在世界范围内已有一些用于注塑成型机的温度控制电路，但是其中一些电路非常复杂，甚至有些电路的工作不是很稳定可靠。总的来说，这些温度控制电路存在以下一些缺点：(a)其中一些电路用继电器来切换多路热电偶电压信号，这样做的成本很高，而且由于继电器的工作寿命，其工作不够可靠；(b)其中一些电路用非差分输入放大器放大热电偶电压信号，所以它们不能有效地抑制强的共模干扰；(c)在一些电路中，每个热电偶通道用一个差分输入放大器来放大热电偶电压信号，然后把它们切换到一个AD转换器，这样做的成本很高；(d)其中一些热电偶断线检测电路不是很可靠，有的根本没有断线检测电路；(e)它们都用了专门的冰点补偿电路，这样增加了成本。

本实用新型就是为了解决上述现有技术中的各种问题而提出的。

因此，本实用新型的一个目的是提供一种新的用于注塑成型机的温度测量电路，能够在强干扰环境下通过热电偶准确地测量出料桶温度。

根据本实用新型，提供了一种温度测量电路，包括：多个热电偶，分别与被测物体相连，通过感应被测物体的温度而输出与各自温度成比例的热电偶电压信号；多个RC输入滤波器，其输入端分别连接到所述热电偶的各输出端，接收所述热电偶电压信号，并对所述热电偶电压信号进行滤波，以抑制热电偶线带进的共模干扰；一多路模拟开关，其输入端与各个所述RC输入滤波器的输出端分别相连，对多路热电偶电压信号进行多路切换；一差分放大器，其输入端与所述多路模拟开关的输出端相连，对由所述多路模拟开关切换的信号进行差分放大；一模拟到数字转换器(ADC)，其输入端与所述差分放大器的输出端相连，将由所述差分放大器放大的模拟信号转换为数字信号；一50Hz／60Hz数字陷波器，其输入端与所述ADC的输出端相连，用于抑制强的电网共模干扰；一CPU，该CPU的一部分地址输出端口连接到所述多路模拟开关，用于对所述多路模拟开关进行地址选择，该CPU的数据输入／输出端口及一部分控制端口与所述ADC和50Hz／60Hz数字陷波器输入／输出端口互连，用于接收由ADC转换的数字信号，并对ADC和50Hz／60Hz数字陷波器的操作进行控制。

此外，本实用新型的上述温度测量电路还包括一个冰点补偿电路，该冰点补偿电路由一个电压参考电路和所述ADC完成，所述电压参考电路的冰点补偿输出端连接到所述ADC的一个输入端，向所述ADC提供一个热电偶冰点补偿信号，该冰点补偿信号正比于环境温度。

此外，本实用新型的上述温度测量电路还包括一个热电偶断线检测及报警电路，该检测及报警电路包括一个继电器、一个第一电阻和多个第二电阻，所述继电器的一端与电源相连，另一端与所述第一电阻的一端相连，所述第一电阻的另一端连接到所述多路模拟开关的一个共模输出端，所述多个第二电阻的数目与所述热电偶的数目相等，分别连接于各个热电偶的两个输出端之间，通过将所述继电器接通时引起的所述差分放大器输入端的电压与一阈值电压相比较，来确定热电偶是否断线。并且，当有一根热电偶线断开时，CPU立即发出报警信号，并切断加热器电源。

本实用新型能够克服强的共模干扰和热电偶电压信号间的耦合，精确地测量和控制料桶的温度。其温度测量电路非常简单，仅由三片集成电路芯片和一些电容电阻组成(参见图1)。我们采用了成本很低的多路模拟开关结构。事实证明，其性能稳定可靠。该电路包含一个热电偶断线检测电路。当有一根热电偶线断开时，CPU立即发出报警信号，并切断加热器电源，保护料桶过加热，由于用该电路能精确地测得料桶的温度，所以借助于PID算法，能准确地控制料桶的温度。尤其是，本实用新型采用了50z／60Hz硬件陷波器，能够抑制强的电网干扰。

通过参照附图详细描述本实用新型的优选实施例，本实用新型的上述目的和优点将变得更加明白。附图中：

图1是按照本实用新型的一个优选实施例的用于注塑成型机的温度控制器的基本结构的方框图；和

图2是图1的温度控制器中的热电偶通道1的等效热电偶断线检测电路。

参见图1，该图示出了本实用新型的温度控制器的一个例子。其中温度测量电路包括输入滤波器、多路模拟开关、差分放大器、模拟到数字转换器(ADC)、冰点补偿电路以及热电偶断线报警电路。该温度测量电路由单5V电源供电。

输入滤波器是由RC输入滤波器组成的，各个RC输入滤波器与相应热电偶通道的热电偶相连，对热电偶所感应的热电偶电压信号进行滤波，以抑制热电偶线带进的共模干扰。例如，如图1所示，R₁C₁和R₂C₂是通道1的输入滤波器；R₃C₃和R₄C₄是通道2的输入滤波器；依次类推，R₁₅C₁₅和R₁₆C₁₆是通道8的输入滤波器。

多路模拟开关是一个双8选1模拟开关，它连接到RC输入滤波器的所有输出端，用来切换8路热电偶电压信号到差分放大器的输入端。本实用新型的多路模拟开关由MAX337来实现，这个器件非常适合于切换差分输入信号。CPU能够通过逻辑地址A0、A1和A2来选择热电偶通道。

与现有技术的采用继电器来切换多路热电偶电压信号的温度测量电路相比，本发明采用了多路模拟开关(如MAX337)来切换多路热电偶电压信号，从而增加了系统的可靠性，并降低了成本。

差分放大器的输入连接到多路模拟开关的输出端，对由多路模拟开关切换的信号进行差分放大，并将放大后的信号输入到模拟到ADC。

由于在本实用新型中是首先用差分模拟开关切换多路热电偶电压信号，然后放大它们，这样8个热电偶通道共用一个差分放大器，节省了成本。

ADC的输入连接到差分放大器的输出端，将由差分放大器放大的模拟信号转换为数字信号。

如图1所示，在本实用新型中选用AD7705作为差分放大器和模拟到数字转换器(ADC)。该型片包含一个16位的AD转换器、一个双通道差分输入可编程增益放大器(PGA)和一个片内低通滤波器。这个滤波器可编程为50Hz／60Hz数字陷波器，用它来抑制强的电网共模干扰。因此，本实用新型的差分放大器、ADC和陷波器集成于单个集成电路芯片AD7705内。因而降低了电路成本并减小电路体积。AD7705提供的是串行接口，这样减少了在要求隔离的系统中所需光耦的数目。

图1的各部分的操作由CPU来控制，CPU的一部分地址线A0、A1和A2连接到所述多路模拟开关，通过逻辑地址A0、A1和A2对所述多路模拟开关进行地址选择，该CPU的数据输入／输出端口和一部分控制端口与所述ADC和50Hz／60Hz数字陷波器的输入／输出端口相连，用于接收由ADC转换的数字信号，并对ADC和50Hz／60Hz数字陷波器的操作进行控制。

在图1的温度测量电路中，用RC输入滤波器、差分放大器和50Hz／60Hz数字陷波器的组合来消除强的共模干扰。

图2示出一冰点补偿电路，该电路由一个电压参考电路和ADC来完成，该电压参考电路可由MAX872来实现。MAX872为ADC提供了一个2．5V的精确电压参考，同时还提供一个作为热电偶冰点补偿的正比于环境温度的电压信号。热电偶电压信号连接到AD7705模拟输入的通道1(AIN1+)，冰点补偿信号连接到AD7705模拟输入的通道2(AIN2+)。

MAX872的主要功能是提供一个2．5V的电压参考。此外，它还提供了一个正比于它的结温的输出电压。这个电压被用来计算环境温度，并把它作为热电偶的冰点补偿。可是，这一正比于环境温度的电压绝对值随不同的器件有一定的离散性。为了补偿这一离散误差，我们用其对一个已知的参考温度来进行测量，对其进行校准，并把这一校准系数存入EEPROM中。

在本实用新型中，让AD7705工作在缓冲模式，以便我们能在其模拟输入端加入大的去耦合电容来消除热电偶引线带入的任何噪声。当AD7705工作在缓冲模式时，它的共模输入范围减小。为了把热电偶的差模电压放在合适的共模电压上，我们把AD7705的(AIN1-)端偏置在参考电压+2．5V上。另一方面，MAX872的温度输出端的输出阻抗很高，其输出电压对其负载非常敏感。所以当AD7705测量这个温度电压时，也工作在缓冲模式上，并且(AIN2-)也偏置在参考电压+2．5V上。

在本实用新型中，热电偶断线检测是一个重要特点。图1中的继电器K、电阻R25、和电阻R17到电阻R24被用于热电偶断线检测。图2是图1的温度控制电路的热电偶通道1的等效热电偶断线检测电路，它由继电器K、电阻25和电阻R1、R2组成。其工作原理如下：(1)当热电偶断线，并且继电器K接通时，下列等式成立： $V_{\mathrm{AD}}=\frac{R_{\mathrm{on}1}+R_{\mathrm{on}2}+R1+R2+R17}{R_{\mathrm{on}1}+R_{\mathrm{on}2}+R1+R2+R17+R25}(2P5-\mathrm{Vref})$ (a)取R_on1=R_on2=R_on-max=700(欧姆)，那么 $V_{\mathrm{AD}-\max }=\frac{700+700+2200+2200+4700}{700+700+2200+2200+4700+100\×{10}^3}(5-2.5)=0.238\left(V\right)$ (b)取R_on1=R_on2=R_on-min=0(欧姆)时，那么 $V_{\mathrm{AD}-\min }=\frac{2200+2200+4700}{2200+2200+4700+100\×{10}^3}(5-2.5)=0.2085\left(V\right)$ (2)当热电偶未断线，并且继电器K接通时，下列等式成立： $V_{\mathrm{AD}}^{*}=\frac{R_{\mathrm{on}1}+R_{\mathrm{on}2}+R1+R2}{R_{\mathrm{on}1}+R_{\mathrm{on}2}+R1+R2+R25}(2P5-\mathrm{Vref})$ (a)取R_on1=R_on2=R_on-max=700(欧姆)，那么 $V_{\mathrm{AD}-\max }^{*}=\frac{700+700+2200+2200}{700+700+2200+2200+100\×{10}^3}(5-2.5)=0.137\left(V\right)$ (b)取R_on1=R_on2=R_on-min=0(欧姆)，那么 $V_{\mathrm{AD}-\min }^{*}=\frac{2200+2200}{2200+2200+100\×{10}^3}(5-2.5)=0.105\left(V\right)$

因此，当继电器K接通时，根据V_AD的值，我们能容易地判断热电偶是否断线。取阈值电压V_t为： $V_t=\frac{V_{\mathrm{AD}-\min }+V_{\mathrm{AD}-\max }^{*}}{2}=\frac{0.2085+0.137}{2}=0.173\left(V\right)$

当V_AD＞V_t时，热电偶断线；当V_AD＜V_t时，热电偶未断线。

在进行正常的料桶温度测量时，必须断开继电器K，以避免热电偶断线检测电路引入的测量误差。仅在刚启动机器，并且在料桶是冷的情况下，才接通继电器K，以检测热电偶是否断线。因为这时热电偶的输出电压为零，只有借助于热电偶断线检测电路才能判断热电偶是否断线。在机器启动以后，料桶被加热，热电偶的输出电压不再是零。这时，如果检测到热电偶的输出电压为零，可以断定热电偶已断线。在这种情况下，没有必要启动热电偶断线检测电路来判断热电偶是否断线。

该断线检测电路非常简单，但却很可靠。由于用了一个继电器K，在进行正常的温度测量时不会因为断线检测电路带来任何测量误差。

图1中，电阻R₁₇到R₂₄有两个作用。其一是当热电偶断线时，避免差分输入PGA的输入端浮空。由于差分输入PGA的输入阻抗很高，并且存在来自外界的干扰，在热电偶断线时，如果差分输入PGA输入端浮空，它将检测到一个非零的电压。电阻R₁₇到R₂₄的另一个作用是为电容C₁₇提供一个放电通道。避免热电偶断线时，上一次测量的热电偶电压保持在这个电容上。

由于通过这种方法，能精确地测量出料桶的温度，所以借助于PID算法，能准确地控制料桶的温度。

上面已经参照本实用新型的优选实施例描述了本实用新型，但本领域技术人员应当理解，本实用新型不限于上面所描述的优选实施例。本实用新型的范围由所附的权利要求书来限定。

Claims (3)

1．一种温度测量电路，其特征在于，该温度测量电路包括：

多个热电偶，分别与被测温度物体相连，通过感应被测物体的温度而输出与各自温度成比例的热电偶电压信号；

多个RC输入滤波器，其输入端分别连接到所述热电偶的各输出端，接收所述热电偶电压信号，并对所述热电偶电压信号进行滤波，以抑制热电偶线带进的共模干扰；

一多路模拟开关，其输入端与各个所述RC输入滤波器的输出端分别相连，对多路热电偶电压信号进行多路切换；

一差分放大器，其输入端与所述多路模拟开关的输出端相连，对由所述多路模拟开关切换的信号进行差分放大；

一模拟到数字转换器(ADC)，其输入端与所述差分放大器的输出端相连，将由所述差分放大器放大的模拟信号转换为数字信号；

一50Hz／60Hz数字陷波器，其输入端与所述ADC的输出端相连，用于抑制强的电网共模干扰；

一CPU，该CPU的一部分地址输出端口连接到所述多路模拟开关，用于对所述多路模拟开关进行地址选择，该CPU的数据输入／输出端口和一部分控制端口与所述ADC和50Hz／60Hz数字陷波器输入／输出端口相连，用于接收由ADC转换的数字信号，并对ADC和50Hz／60Hz数字陷波器的操作进行控制。

2．如权利要求1所述的温度测量电路，其特征在于，还包括一个冰点补偿电路，该冰点补偿电路由一个电压参考电路和所述ADC完成，所述电压参考电路的冰点补偿输出端连接到所述ADC的一个输入端，向所述ADC提供一个热电偶冰点补偿信号，该冰点补偿信号正比于环境温度。

3．如权利要求1所述的温度测量电路，其特征在于，还包括一个热电偶断线检测及报警电路，该检测及报警电路包括一个继电器、一个第一电阻和多个第二电阻，所述继电器的一端与电源相连，另一端与所述第一电阻的一端相连，所述第一电阻的另一端连接到所述多路模拟开关的一个共模输出端，所述多个第二电阻的数目与所述热电偶的数目相等，分别连接于各个热电偶的两个输出端之间，通过将所述继电器接通时引起的所述差分放大器输入端的电压与一阈值电压相比较，来确定热电偶是否断线，并且，当发现有热电偶线断开时，CPU立即发出报警信号，并切断加热器电源。

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