基于改进的双斜坡积分等技术的大跨度电阻兼容测温方法

2018-12-06王华，邓军

西北水电 2018年5期

王华，邓军

(中国水利水电第七工程局有限公司试验检测研究院，成都 611730)

0 前言

目前，用于混凝土温度监测的传感器主要有：CU50、PT1000、3 kΩ热敏电阻，这些类型的传感器的电阻值变化从55 Ω～200 kΩ值范围过大，各厂家分别用不同的读数仪采集测量值，不仅费用高，而且在使用过程中要带多台读数仪，不方便工作。若用同一采集仪兼容测读，设备稳定性问题比较难解决，同时采集精度很难保证。

由于这几种传感器的阻值是从几十欧姆到几千欧，阻值跨度比较大，在测量的过程中使A/D模块测得的数据出现非线性，所得数据呈数量级偏差。要想同时兼顾测量不同阻值的温度传感器，可通过增加设计合理的双斜坡积分电路实现测值线性，附以合并使用电解、电瓷式电容消除高、低频干扰，及用二极管、电阻分压，用稳流源保证小电阻测值等手段实现大跨度电阻兼容测量，从而有效保证测量精度、采集仪稳定性和数据可靠性。

1 大体积混凝土常用的3种温度传感器

1.1 铜电阻

在测温精度要求不高、测温范围较小的情况下，可采用铜电阻[1-2]温度传感器。在-50～150 ℃(常用的-3～70 ℃)的温度范围内，铜电阻与温度成线性关系，其电阻与温度关系：

Rt=R0(1+At)

(1)

式中:R0、Rt分别为温度0及t时铂电阻的电阻值；t为任意温度;A为铜电阻的温度系数,A=4.25×10-3～4.28×10-3℃ 。

1.2 铂电阻

铂电阻[2]与温度之间的关系接近于线性，在不同的温度区间，分为如下2种关系：

在0～630.74 ℃范围内可表示为:

Rt=R0(1+At+Bt2)

(2)

在-190～0 ℃范围内为：

Rt=R0(1+At+Bt2十Ct3)

(3)

式中：R0、Rt为温度0及t时铂电阻的电阻值；t为任意温度;A、B、C为温度系数，由实验确定，A=3.9×10-3℃，B=-5.847×10-7℃，C=-4.22×10-12℃。由式(2)和式(3)看出，当R0值不同时，在同样温度下，其Rt值也不同。

1.3 热敏电阻

除了CU50和PT1000之外还有一种热敏电阻式传感器(25 ℃电阻是3 kΩ)应用甚为广泛，它的计算公式：

(4)

式中：T为摄氏温度，℃；R为温度传感器电阻值，Ω；LnR为半导体温度计阻值自然对数;A=1.4051×10-3(系数在-50～150 ℃内有效)，B=2.369×10-4，C=1.019×10-7。

通过以上3种传感器的计算公式可得：虽然都是线性关系，但是随着温度范围的增大，阻值范围不断的变化，线性常数也在变化，这就要求使用不同量程的采集仪采集数据，方能保证测量精度和准确性。实现采用同一种采集仪兼容测量3种传感器需要解决阶梯段线性变化问题，《拆分式迷你多功能混凝土温度智能在线监系统控研制与应用》[3-4]中引入双斜坡积分解决模拟量与数字量转换问题，用改良后的双斜坡积分解决小阻值的精确捕捉及与大阻值兼容测读，有效解决阶梯线性变化问题，同时加入多种电容、稳流源等实现系统稳定、确保精度。

2 积分型ADC及其原理

积分型ADC[5-6]是一种模-数转换器，是通过使用积分器将未知的输入电压转换成数字，用具体数值来表示，电路如图1所示。

图1 积分型ADC原理图

该电路最基本的功能之一：将未知的输入电压施加在积分器的输入端，并持续一个固定的时间段(命名为：上升阶段)；再把一个已知的反向电压施加到积分器，持续到积分器输出归零(命名为：下降阶段)。可以得到：输入电压的计算结果实际上是参考电压的一个函数。设定：定时上升阶段时间为tu和测得的下降阶段时间为td。

在实际使用中，为了使积分器向相反方向积分，需要参考电压与被测电压的极性相反。一般设定为：参考电压为负，被测电压为正。

积分器输出的基本公式(假设是恒定输入量)：

(4)

式中：V为电压；R为电阻；C为电容；t为温度。

假定：在每个转换过程的初始电压都为零，积分器在下降阶段结束后的输出电压也是零，可以用式(5)、(6)来表示积分器上升和下降2段的输出：

(5)

(6)

由式(5)、(6)解得Vin，即被测电压为：

(7)

由此可见，双斜坡积分ADC的好处之一是：测量结果与电路中的元器件的值(电阻R和电容C)无关。难道R和C在双斜坡积分中不重要？恰恰相反，电路中R和C决定了充放电时间和电压。根据实际情况，使用者通过匹配不同电阻值，来调节充放电曲线斜率，从而达到缩短上升时间、延长下降时间，让采集仪有充分的时间感知信号，从而保证测值的准确性和精度。

如图2所示，如果需要采集的电压比较低，则会造成一定时间后C上充得的电压也比较低，而且上升时间较长，放电时间非常短。这一点，对时间精度要求较高的采集，会造成弱电压采集，致使测值不精准、误差大。若想节约上升时间，只要减小输入电阻值，就可以提高C的充电积累速度，即：积累等量的电荷，耗时更短。

图2 改进的双斜坡原理图

通过调节R的大小来控制充放电时间。对于弱电压串接小电阻值能够保证C在较短时间内充得足够的电压、高电压串接大电阻值保证C不会因为充电过快充满，从而实现充电时间上的均衡，而放电时通过匹配不同阻值的电阻，可控制放电时间在采集精度范围内不仅给予充分的采集时间而且不会耗费太多采集时间。在下降过程中使用同样的算法，可得到下面的公式：

(8)

式中：V为电压；R为电阻；t为温度。

以上说明：基本的双斜坡积分型ADC的设计在转换速度和分辨率方面的限制，而改进后的双斜坡ADC充分改善了基本电路的弊端。可通过匹配不同的电阻值来调节充放电时间，提供足够时间感知信号变化，准确捕捉信号量，保证测值精准真实。这样既保证了像25 kΩ这样的大电阻被准确测量，也保证了CU50、PT1000这样的小电阻被准确感知，从而有效实现大跨度电阻兼容测温。

3 电解电容与电瓷电容合并使用

电解电容与电瓷电容合并使用消除高低频干扰，保证测量精度，电感和二极管稳流及防止反流保证电路稳定。

(1) 拆分式迷你多功能混凝土温度智能在线监控供电系统主板稳压[7]供电电路(获国家实用新型发明专利，专利号：ZL 2016 2 0621850.8)见图3。

图3 主机供电系统主板稳压供电电路图

该电路为拆分式迷你多功能混凝土温度智能在线监控提供了稳定输出、防反接、防短路的供电系统主板稳压供电电路。

本电路主要包括：二极管D1、自恢复保险丝RTC1、电容C1、电容C2、稳压芯片V1、二极管D2和电感L1；二极管D1的正极连接输入电源，二极管D1的负极通过自恢复保险丝RTC1与稳压芯片V1的电压输入引脚相连，电容C1与第二电容C2并联于自恢复保险丝RTC1与稳压芯片V1之间，电容C1与电容C2共地；稳压芯片V1的GND引脚和开/关引脚分别接地，稳压芯片V1的电压输出引脚通过电感L1输出电压VCC，二极管D2的负极并联于稳压芯片V1与电感L1的公共连接点上，二极管D2的正极接地，稳压芯片V1的反馈引脚与输出电压VCC连接。

本电路还包括电容C3和电容C4，同时C3、C4并联于电感L1与输出电压VCC之间，电容C3与C4共地。电容C1、C3采用电解电容，C2、C4采用瓷片电容。

该电路的有益效果是：

1) 采用LM2576稳压芯片，能够驱动3 A的负载，有良好的线性和负载调整能力；

2) 二极管D1可防止输入电压正负反接而引起电路烧毁；

3) 自恢复保险丝RTC1可防止电路短路而引起输入电源(蓄电瓶)损坏；

4) 电容C1与C2对输入电压进行稳压滤波，有去耦和蓄能的作用，使输入电压更稳定；

5) 二极管D2作为电路的电流反向保护，电感L1滤波使输出稳定直流电，外加2个电容(C3、C4)滤波、去耦和蓄能，防止电源携带的噪声对电路构成干扰。

在本电路中，输入及输出部分均采用电解电容和瓷片电容并联方式。电解电容对低频干扰滤波去耦能力强，却对高频干扰滤波去耦能力差；而瓷片电容对高频电流吸收效果很好。瓷片电容的特点是造价非常高、容量不能太大，不适合单独使用。因此将2种电容并联使用，取长补短，有效消除高低频干扰，效果更好，保证测量精度。

(2) 双电容用于A/D模块稳压电路，确保测量精度与系统稳定

A/D模块稳压电路[5]采用L7809三端稳压集成稳压管，内置有过流、过热及调整管的保护电路，可靠耐用。12 V输入电源加电解电容C191和电瓷电容C192用以滤波储能，使输入更加稳定，输出外加电容C193用以过滤内部噪音，为电路的A/D模块部分提供稳定的9 V电源。输入部分采用电解电容和瓷片电容并联方式，对高低频干扰进行过滤提供稳定的电压，为测量精确度提供保障。

图4 加入2种电容的A/D稳压原理图

4 DC-DC电源模块

DC-DC电源模块DY05D0505被使用在选择通道的DC-DC电源模块上[8]，为DC-DC电源模块的断开提供驱动电压、隔离电路，使前端电路电压与后端电压互不影响，保证电路更加稳定可靠(见图5)。输入端加电容用于滤波，加自恢复保险丝可防止器件短路而毁坏电源。电压输出端滤波电容对输出电压进行稳压滤波，具有去耦和蓄能的作用，使输入电压稳定；滤波电容两端并联的泄放电阻可以在电路停止工作时“泄放”掉滤波电容里面存放的电能，以免故障和事故的发生。