【導讀】在工業(yè)應用中，常用熱電阻測量設(shè)備的工作溫度，從而實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測。若測溫系統(tǒng)異常，會直接增大工業(yè)設(shè)備損壞風險。因此，如何保障測溫系統(tǒng)對設(shè)備的有效監(jiān)測顯得尤為重要。
熱電阻測溫具有測溫范圍大、精度高、穩(wěn)定性好的特點，被廣泛應用在工業(yè)測溫中。常見熱電阻測溫電路的簡化框圖如下圖所示：
圖1 熱電阻測溫電路簡化框圖
測溫電路主要包括：熱電阻、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），有些應用還會加入微處理器（MCU）。測溫電路的輸出會接入后級的控制系統(tǒng)。
在實際的熱電阻測溫中，諸多因素會影響到測溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。為應對這些挑戰(zhàn)，需要在設(shè)計溫度采集電路的時候采用可靠的方案，從而能更好地保障測溫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，避免設(shè)備損壞造成的損失。
影響測溫可靠性的因素
圖2 影響測溫可靠性的因素
1. 高電壓環(huán)境的挑戰(zhàn)
在高電壓環(huán)境中，熱電阻測溫面臨的挑戰(zhàn)之一就是高壓電信號通過接觸熱電阻傳導進低工作電壓的測溫系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，這將嚴重威脅到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。
2. 靜電放電的威脅
在工業(yè)測溫應用中，人體的靜電放電會對測溫系統(tǒng)造成威脅。靜電的電壓通常會達到數(shù)千伏，這一能量的釋放有可能直接造成系統(tǒng)宕機，嚴重時會直接損壞電路元件。
3. 工頻信號的影響
在測溫應用中，工頻信號可能會通過熱電阻傳導進測溫電路，或通過電源耦合進信號鏈中，從而造成測溫數(shù)據(jù)跳動大的情況。
4. 工作溫度的影響
工業(yè)環(huán)境溫度范圍為-40℃~85℃，在高低溫環(huán)境下有部分電路會出現(xiàn)溫漂過大而影響測溫精度，甚至有部分元件會出現(xiàn)無法正常工作的情況。
可靠測溫的參考設(shè)計
在了解完影響測溫可靠性的因素后，接下來一一介紹解決方法來應對這些挑戰(zhàn)。
1. 電源隔離與接口隔離
對測溫電路的電源和數(shù)字輸出接口進行隔離，不僅可以保護后級低電壓系統(tǒng)的安全，還可以隔離50Hz工頻信號，從而使測溫數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。
2. 靜電保護電路的設(shè)計
在供電端增加ESD管，測量端不能采用漏電流大的靜電保護器件，一般在測溫端采用串電阻的方式，可有效衰減靜電沖擊。
3. 工頻抑制的方法
熱電阻測溫中有多種方法可以實現(xiàn)工頻抑制效果?？梢酝ㄟ^隔離電源和輸出接口實現(xiàn)，也可以通過設(shè)計低通濾波電路或陷波器來實現(xiàn)，還可以在MCU中加入數(shù)字濾波算法來實現(xiàn)。
4. 工業(yè)級器件選型
在方案設(shè)計階段需要選擇符合工業(yè)級標準的低溫漂元器件，以保障在工業(yè)溫度下的測溫精度和電路穩(wěn)定性。
可靠的測溫產(chǎn)品
為保障測溫電路的高可靠性，致遠電子將傳統(tǒng)熱電阻測溫電路的信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器進行了集成，推出了TPS02RAH高精度測溫模塊。
1. 產(chǎn)品簡介
TPS02RAH是一款針對PT100的工業(yè)雙通道隔離熱電阻測溫模塊，具有抗干擾性強、可靠性高、檢測精度高、溫漂小的特點。
產(chǎn)品特性如下：
● 雙通道PT100熱電阻測量；
● -200℃~850℃測溫范圍，0.02%±0.1℃測溫誤差；
● 10ppm/℃溫漂；
● 內(nèi)置電源與數(shù)字隔離，電氣隔離耐壓為4000Vrms；
● 測量端靜電放電抗擾度：接觸±4kV；
● 內(nèi)置濾波電路和濾波算法，具有工頻抑制功能；
● 工作環(huán)境為-40℃~85℃。
2. 產(chǎn)品應用
2.1 鋰電池化成分容測溫
鋰電池在裝配完成時是沒有電的，必須充電激活。首次充電就被稱為“化成”，用于激活電池體內(nèi)的活性材料。而分容則是化成后對電池進行充電放電，通過容量測試篩選出合格電池的過程。
化成壓床需要加熱加壓，同時檢測電芯的溫度情況，分容也在充放電過程需要測量溫度。鋰電池化成分容過程對測溫存在著測溫點數(shù)多、測溫精度高、工作環(huán)境溫度高、測量溫漂小的需求。針對這一測溫需求，致遠電子為行業(yè)客戶設(shè)計了如下方案：
圖3 TPS02RAH在鋰電池化成分容的測溫應用
該方案主要包括：RS485接口、微處理器（MCU）、TPS02RAH測溫模塊和熱電阻測溫傳感器。
針對鋰電池化成分容測溫點數(shù)多的需求，TPS02RAH的輸出接口為I2C，支持主機動態(tài)更改模塊I2C地址，實現(xiàn)了單I2C總線掛載多個TPS02RAH測溫模塊的功能。
針對測溫精度高、工作環(huán)境溫度高、測量溫漂小的需求，TPS02RAH通過隔離和濾波電路，實現(xiàn)了0.02%±0.1℃的測溫精度和10ppm/℃溫漂，滿足了客戶的測溫需求。
2.2 電機測溫
電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能的過程中不可避免地產(chǎn)生了大量的熱損耗，從而使得電機溫度升高，導致電機某些部件老化，因此需要對電機的溫度進行監(jiān)測。
電機溫度檢測部位有三個，即電機外殼、定子繞組與軸承。電機外殼與定子繞組為靜態(tài)部位，可用熱電阻、熱電偶進行溫度檢測，電機軸承為動態(tài)部件，可用紅外溫度傳感器進行檢測。主流的電機測溫均采用三線制PT100熱電阻檢測定子繞組的溫度。
電機測溫的難點在于電機運行時會產(chǎn)生電磁干擾，從而影響到了測溫的精度。致遠電子為這一應用的客戶推薦了如下方案：
圖4 TPS02RAH在電機溫度檢測上的應用
電機繞組溫度檢測，需要在電機定子的繞組內(nèi)埋線，每相都預埋2只三線制的PT100溫度傳感器。因此，該方案使用了3個TPS02RAH測量電機繞組的6個溫度點。
為應對電磁干擾帶來的挑戰(zhàn)，TPS02RAH內(nèi)置電源和數(shù)字隔離，通過內(nèi)置濾波電路和保護電路，能夠有效抵抗電磁干擾帶來的影響。經(jīng)測試，TPS02RAH的群脈沖抗擾度為±1kV，在工頻磁場抗擾度測試中達到了A等級。
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