【铂电阻测温】如何保证热电阻采集的可靠性

原创 ZLG致远电子 2024-06-21 11:34
在工业应用中,常用热电阻测量设备的工作温度,从而实现对设备运行状态的监测。若测温系统异常,会直接增大工业设备损坏风险。因此,如何保障测温系统对设备的可靠及有效监测显得尤为重要。

热电阻测温具有测温范围大、精度高、稳定性好的特点,被广泛应用在工业测温中。常见热电阻测温电路的简化框图如下图所示:
图1 热电阻测温电路简化框图
测温电路主要包括:热电阻、信号调理电路、模数转换器(ADC),有些应用还会加入微处理器(MCU)。测温电路的输出会接入后级的控制系统。
在实际的热电阻测温中,诸多因素会影响到测温系统的稳定性和可靠性。为应对这些挑战,需要在设计温度采集电路的时候采用可靠的方案,从而能更好地保障测温系统的稳定运行,避免设备损坏造成的损失。

  影响测温可靠性的因素

图2 影响测温可靠性的因素

1. 高电压环境的挑战
在高电压环境中,热电阻测温面临的挑战之一就是高压电信号通过接触热电阻传导进低工作电压的测温系统和控制系统,这将严重威胁到整个系统的稳定和安全。
2. 静电放电的威胁
在工业测温应用中,人体的静电放电会对测温系统造成威胁。静电的电压通常会达到数千伏,这一能量的释放有可能直接造成系统宕机,严重时会直接损坏电路元件。
3. 工频信号的影响
在测温应用中,工频信号可能会通过热电阻传导进测温电路,或通过电源耦合进信号链中,从而造成测温数据跳动大的情况。
4. 工作温度的影响
工业环境温度范围为-40℃~85℃,在高低温环境下有部分电路会出现温漂过大而影响测温精度,甚至有部分元件会出现无法正常工作的情况。

  可靠测温的参考设计
在了解完影响测温可靠性的因素后,接下来一一介绍解决方法来应对这些挑战。
1. 电源隔离与接口隔离
对测温电路的电源和数字输出接口进行隔离,不仅可以保护后级低电压系统的安全,还可以隔离50Hz工频信号,从而使测温数据更稳定。
2. 静电保护电路的设计
在供电端增加ESD管,测量端不能采用漏电流大的静电保护器件,一般在测温端采用串电阻的方式,可有效衰减静电冲击。
3. 工频抑制的方法
热电阻测温中有多种方法可以实现工频抑制效果。可以通过隔离电源和输出接口实现,也可以通过设计低通滤波电路或陷波器来实现,还可以在MCU中加入数字滤波算法来实现。
4. 工业级器件选型
在方案设计阶段需要选择符合工业级标准的低温漂元器件,以保障在工业温度下的测温精度和电路稳定性。

  可靠的测温产品
为保障测温电路的高可靠性,致远电子将传统热电阻测温电路的信号调理电路、模数转换器、微处理器进行了集成,推出了TPS02RAH高精度测温模块。
1. 产品简介
TPS02RAH是一款针对PT100的工业双通道隔离热电阻测温模块,具有抗干扰性强、可靠性高、检测精度高、温漂小的特点。
产品特性如下:
  • 双通道PT100热电阻测量;
  • -200℃~850℃测温范围,0.02%±0.1℃测温误差;
  • 10ppm/℃温漂;
  • 内置电源与数字隔离,电气隔离耐压为4000Vrms;
  • 测量端静电放电抗扰度:接触±4kV;
  • 内置滤波电路和滤波算法,具有工频抑制功能;
  • 工作环境为-40℃~85℃。
2. 产品应用
2.1 锂电池化成分容测温
锂电池在装配完成时是没有电的,必须充电激活。首次充电就被称为“化成”,用于激活电池体内的活性材料。而分容则是化成后对电池进行充电放电,通过容量测试筛选出合格电池的过程。
化成压床需要加热加压,同时检测电芯的温度情况,分容也在充放电过程需要测量温度。锂电池化成分容过程对测温存在着测温点数多、测温精度高、工作环境温度高、测量温漂小的需求。针对这一测温需求,致远电子为行业客户设计了如下方案:
图3 TPS02RAH在锂电池化成分容的测温应用
该方案主要包括:RS485接口、微处理器(MCU)、TPS02RAH测温模块和热电阻测温传感器。
针对锂电池化成分容测温点数多的需求,TPS02RAH的输出接口为I2C,支持主机动态更改模块I2C地址,实现了单I2C总线挂载多个TPS02RAH测温模块的功能。
针对测温精度高、工作环境温度高、测量温漂小的需求,TPS02RAH通过隔离和滤波电路,实现了0.02%±0.1℃的测温精度和10ppm/℃温漂,满足了客户的测温需求。
2.2 电机测温
电机将电能转换成机械能的过程中不可避免地产生了大量的热损耗,从而使得电机温度升高,导致电机某些部件老化,因此需要对电机的温度进行监测。
电机温度检测部位有三个,即电机外壳、定子绕组与轴承。电机外壳与定子绕组为静态部位,可用热电阻、热电偶进行温度检测,电机轴承为动态部件,可用红外温度传感器进行检测。主流的电机测温均采用三线制PT100热电阻检测定子绕组的温度。
电机测温的难点在于电机运行时会产生电磁干扰,从而影响到了测温的精度。致远电子为这一应用的客户推荐了如下方案:
图4 TPS02RAH在电机温度检测上的应用
电机绕组温度检测,需要在电机定子的绕组内埋线,每相都预埋2只三线制的PT100温度传感器。因此,该方案使用了3个TPS02RAH测量电机绕组的6个温度点。
为应对电磁干扰带来的挑战,TPS02RAH内置电源和数字隔离,通过内置滤波电路和保护电路,能够有效抵抗电磁干扰带来的影响。经测试,TPS02RAH的群脉冲抗扰度为±1kV,在工频磁场抗扰度测试中达到了A等级。

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