基于改進的雙斜坡積分等技術的大跨度電阻兼容測溫方法

王 華，鄧 軍

(中國水利水電第七工程局有限公司試驗檢測研究院，成都 611730)

0 前 言

目前，用于混凝土溫度監測的傳感器主要有：CU50、PT1000、3 kΩ熱敏電阻，這些類型的傳感器的電阻值變化從55 Ω～200 kΩ值范圍過大，各廠家分別用不同的讀數儀采集測量值，不僅費用高，而且在使用過程中要帶多臺讀數儀，不方便工作。若用同一采集儀兼容測讀，設備穩定性問題比較難解決，同時采集精度很難保證。

由于這幾種傳感器的阻值是從幾十歐姆到幾千歐，阻值跨度比較大，在測量的過程中使A/D模塊測得的數據出現非線性，所得數據呈數量級偏差。要想同時兼顧測量不同阻值的溫度傳感器，可通過增加設計合理的雙斜坡積分電路實現測值線性，附以合并使用電解、電瓷式電容消除高、低頻干擾，及用二極管、電阻分壓，用穩流源保證小電阻測值等手段實現大跨度電阻兼容測量，從而有效保證測量精度、采集儀穩定性和數據可靠性。

1 大體積混凝土常用的3種溫度傳感器

1.1 銅電阻

在測溫精度要求不高、測溫范圍較小的情況下，可采用銅電阻[1-2]溫度傳感器。在-50～150 ℃(常用的-3～70 ℃)的溫度范圍內，銅電阻與溫度成線性關系，其電阻與溫度關系：

Rt=R0(1+At)

(1)

式中:R0、Rt分別為溫度0及t時鉑電阻的電阻值；t為任意溫度;A為銅電阻的溫度系數,A=4.25×10-3～4.28×10-3℃ 。

1.2 鉑電阻

鉑電阻[2]與溫度之間的關系接近于線性，在不同的溫度區間，分為如下2種關系：

在0～630.74 ℃范圍內可表示為:

Rt=R0(1+At+Bt2)

(2)

在-190～0 ℃范圍內為：

Rt=R0(1+At+Bt2十Ct3)

(3)

式中：R0、Rt為溫度0及t時鉑電阻的電阻值；t為任意溫度;A、B、C為溫度系數，由實驗確定，A=3.9×10-3℃，B=-5.847×10-7℃，C=-4.22×10-12℃。由式(2)和式(3)看出，當R0值不同時，在同樣溫度下，其Rt值也不同。

1.3 熱敏電阻

除了CU50和PT1000之外還有一種熱敏電阻式傳感器(25 ℃電阻是3 kΩ)應用甚為廣泛，它的計算公式：

(4)

式中：T為攝氏溫度，℃；R為溫度傳感器電阻值，Ω；LnR為半導體溫度計阻值自然對數;A=1.4051×10-3(系數在-50～150 ℃內有效)，B=2.369×10-4，C=1.019×10-7。

通過以上3種傳感器的計算公式可得：雖然都是線性關系，但是隨著溫度范圍的增大，阻值范圍不斷的變化，線性常數也在變化，這就要求使用不同量程的采集儀采集數據，方能保證測量精度和準確性。實現采用同一種采集儀兼容測量3種傳感器需要解決階梯段線性變化問題，《拆分式迷你多功能混凝土溫度智能在線監系統控研制與應用》[3-4]中引入雙斜坡積分解決模擬量與數字量轉換問題，用改良后的雙斜坡積分解決小阻值的精確捕捉及與大阻值兼容測讀，有效解決階梯線性變化問題，同時加入多種電容、穩流源等實現系統穩定、確保精度。

2 積分型ADC及其原理

積分型ADC[5-6]是一種模-數轉換器，是通過使用積分器將未知的輸入電壓轉換成數字，用具體數值來表示，電路如圖1所示。

圖1 積分型ADC原理圖

該電路最基本的功能之一：將未知的輸入電壓施加在積分器的輸入端，并持續一個固定的時間段(命名為：上升階段)；再把一個已知的反向電壓施加到積分器，持續到積分器輸出歸零(命名為：下降階段)。可以得到：輸入電壓的計算結果實際上是參考電壓的一個函數。設定：定時上升階段時間為tu和測得的下降階段時間為td。

在實際使用中，為了使積分器向相反方向積分，需要參考電壓與被測電壓的極性相反。一般設定為：參考電壓為負，被測電壓為正。

積分器輸出的基本公式(假設是恒定輸入量)：

(4)

式中：V為電壓；R為電阻；C為電容；t為溫度。

假定：在每個轉換過程的初始電壓都為零，積分器在下降階段結束后的輸出電壓也是零，可以用式(5)、(6)來表示積分器上升和下降2段的輸出：

(5)

(6)

由式(5)、(6)解得Vin，即被測電壓為：

(7)

由此可見，雙斜坡積分ADC的好處之一是：測量結果與電路中的元器件的值(電阻R和電容C)無關。難道R和C在雙斜坡積分中不重要？恰恰相反，電路中R和C決定了充放電時間和電壓。根據實際情況，使用者通過匹配不同電阻值，來調節充放電曲線斜率，從而達到縮短上升時間、延長下降時間，讓采集儀有充分的時間感知信號，從而保證測值的準確性和精度。

如圖2所示，如果需要采集的電壓比較低，則會造成一定時間后C上充得的電壓也比較低，而且上升時間較長，放電時間非常短。這一點，對時間精度要求較高的采集，會造成弱電壓采集，致使測值不精準、誤差大。若想節約上升時間，只要減小輸入電阻值，就可以提高C的充電積累速度，即：積累等量的電荷，耗時更短。

圖2 改進的雙斜坡原理圖

通過調節R的大小來控制充放電時間。對于弱電壓串接小電阻值能夠保證C在較短時間內充得足夠的電壓、高電壓串接大電阻值保證C不會因為充電過快充滿，從而實現充電時間上的均衡，而放電時通過匹配不同阻值的電阻，可控制放電時間在采集精度范圍內不僅給予充分的采集時間而且不會耗費太多采集時間。在下降過程中使用同樣的算法，可得到下面的公式：

(8)

式中：V為電壓；R為電阻；t為溫度。

以上說明：基本的雙斜坡積分型ADC的設計在轉換速度和分辨率方面的限制，而改進后的雙斜坡ADC充分改善了基本電路的弊端。可通過匹配不同的電阻值來調節充放電時間，提供足夠時間感知信號變化，準確捕捉信號量，保證測值精準真實。這樣既保證了像25 kΩ這樣的大電阻被準確測量，也保證了CU50、PT1000這樣的小電阻被準確感知，從而有效實現大跨度電阻兼容測溫。

3 電解電容與電瓷電容合并使用

電解電容與電瓷電容合并使用消除高低頻干擾，保證測量精度，電感和二極管穩流及防止反流保證電路穩定。

(1) 拆分式迷你多功能混凝土溫度智能在線監控供電系統主板穩壓[7]供電電路(獲國家實用新型發明專利，專利號：ZL 2016 2 0621850.8)見圖3。

圖3 主機供電系統主板穩壓供電電路圖

該電路為拆分式迷你多功能混凝土溫度智能在線監控提供了穩定輸出、防反接、防短路的供電系統主板穩壓供電電路。

本電路主要包括：二極管D1、自恢復保險絲RTC1、電容C1、電容C2、穩壓芯片V1、二極管D2和電感L1；二極管D1的正極連接輸入電源，二極管D1的負極通過自恢復保險絲RTC1與穩壓芯片V1的電壓輸入引腳相連，電容C1與第二電容C2并聯于自恢復保險絲RTC1與穩壓芯片V1之間，電容C1與電容C2共地；穩壓芯片V1的GND引腳和開/關引腳分別接地，穩壓芯片V1的電壓輸出引腳通過電感L1輸出電壓VCC，二極管D2的負極并聯于穩壓芯片V1與電感L1的公共連接點上，二極管D2的正極接地，穩壓芯片V1的反饋引腳與輸出電壓VCC連接。

本電路還包括電容C3和電容C4，同時C3、C4并聯于電感L1與輸出電壓VCC之間，電容C3與C4共地。電容C1、C3采用電解電容，C2、C4采用瓷片電容。

該電路的有益效果是：

1) 采用LM2576穩壓芯片，能夠驅動3 A的負載，有良好的線性和負載調整能力；

2) 二極管D1可防止輸入電壓正負反接而引起電路燒毀；

3) 自恢復保險絲RTC1可防止電路短路而引起輸入電源(蓄電瓶)損壞；

4) 電容C1與C2對輸入電壓進行穩壓濾波，有去耦和蓄能的作用，使輸入電壓更穩定；

5) 二極管D2作為電路的電流反向保護，電感L1濾波使輸出穩定直流電，外加2個電容(C3、C4)濾波、去耦和蓄能，防止電源攜帶的噪聲對電路構成干擾。

在本電路中，輸入及輸出部分均采用電解電容和瓷片電容并聯方式。電解電容對低頻干擾濾波去耦能力強，卻對高頻干擾濾波去耦能力差；而瓷片電容對高頻電流吸收效果很好。瓷片電容的特點是造價非常高、容量不能太大，不適合單獨使用。因此將2種電容并聯使用，取長補短，有效消除高低頻干擾，效果更好，保證測量精度。

(2) 雙電容用于A/D模塊穩壓電路，確保測量精度與系統穩定

A/D模塊穩壓電路[5]采用L7809三端穩壓集成穩壓管，內置有過流、過熱及調整管的保護電路，可靠耐用。12 V輸入電源加電解電容C191和電瓷電容C192用以濾波儲能，使輸入更加穩定，輸出外加電容C193用以過濾內部噪音，為電路的A/D模塊部分提供穩定的9 V電源。輸入部分采用電解電容和瓷片電容并聯方式，對高低頻干擾進行過濾提供穩定的電壓，為測量精確度提供保障。

圖4 加入2種電容的A/D穩壓原理圖

4 DC-DC電源模塊

DC-DC電源模塊DY05D0505被使用在選擇通道的DC-DC電源模塊上[8]，為DC-DC電源模塊的斷開提供驅動電壓、隔離電路，使前端電路電壓與后端電壓互不影響，保證電路更加穩定可靠(見圖5)。輸入端加電容用于濾波，加自恢復保險絲可防止器件短路而毀壞電源。電壓輸出端濾波電容對輸出電壓進行穩壓濾波，具有去耦和蓄能的作用，使輸入電壓穩定；濾波電容兩端并聯的泄放電阻可以在電路停止工作時“泄放”掉濾波電容里面存放的電能，以免故障和事故的發生。

圖5 新型DC-DC電源模塊電路原理圖

5 新技術測值比對

在《拆分式迷你多功能混凝土溫度智能在線監控研制與應用》加入以上新技術有效實現CU50、PT1000、3 k熱敏電阻兼容3種傳感器兼容測讀，不僅減少讀數儀總數量的投入，在降低勞動成本的同時有效保障測讀參數的準確性，測值均在誤差標準范圍內。3種傳感器測值對比見表1～3。

表1 CU50銅電阻檢測數據表

注：設備型號QJ-1，編號16411，環境溫度23 ℃、濕度69%。

表2 Pt1000鉑電阻檢測數據表

注：設備型號QJ-1，編號16411，環境溫度23 ℃、濕度69%。

6 結 語

在《拆分式迷你多功能混凝土溫度智能在線監控系統研制與應用》研究中，有效運用改進的雙斜坡積分實現大跨度電阻測量，用電解電容與電瓷電容合并使用消除高低頻干擾保證測量精度，加入穩流源、DC-DC驅動，確保電路穩定、安全，開拓性實現大跨度電阻兼容，不但方便測量，而且節約設備制造成本。

表3 3k熱敏電阻檢測數據表

注：設備型號QJ-1，編號16411，環境溫度23 ℃、濕度69%。以工程常用的溫度區間(-30～70 ℃)為例。