【導讀】在工業應用中，常用熱電阻測量設備的工作溫度，從而實現對設備運行狀態的監測。若測溫系統異常，會直接增大工業設備損壞風險。因此，如何保障測溫系統對設備的有效監測顯得尤為重要。
熱電阻測溫具有測溫范圍大、精度高、穩定性好的特點，被廣泛應用在工業測溫中。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、信號調理電路、模數轉換器（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。
在實際的熱電阻測溫中，諸多因素會影響到測溫系統的穩定性和可靠性。為應對這些挑戰，需要在設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的穩定運行，避免設備損壞造成的損失。
影響測溫可靠性的因素
圖2 影響測溫可靠性的因素
1. 高電壓環境的挑戰
在高電壓環境中，熱電阻測溫面臨的挑戰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和控制系統，這將嚴重威脅到整個系統的穩定和安全。
2. 靜電放電的威脅
在工業測溫應用中，人體的靜電放電會對測溫系統造成威脅。靜電的電壓通常會達到數千伏，這一能量的釋放有可能直接造成系統宕機，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，從而造成測溫數據跳動大的情況。
4. 工作溫度的影響
工業環境溫度范圍為-40℃~85℃，在高低溫環境下有部分電路會出現溫漂過大而影響測溫精度，甚至有部分元件會出現無法正常工作的情況。
可靠測溫的參考設計
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。
1. 電源隔離與接口隔離
對測溫電路的電源和數字輸出接口進行隔離，不僅可以保護后級低電壓系統的安全，還可以隔離50Hz工頻信號，從而使測溫數據更穩定。
2. 靜電保護電路的設計
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工頻抑制效果。可以通過隔離電源和輸出接口實現，也可以通過設計低通濾波電路或陷波器來實現，還可以在MCU中加入數字濾波算法來實現。
4. 工業級器件選型
在方案設計階段需要選擇符合工業級標準的低溫漂元器件，以保障在工業溫度下的測溫精度和電路穩定性。
可靠的測溫產品
為保障測溫電路的高可靠性，致遠電子將傳統熱電阻測溫電路的信號調理電路、模數轉換器、微處理器進行了集成，推出了TPS02RAH高精度測溫模塊。
1. 產品簡介
TPS02RAH是一款針對PT100的工業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；
● 內置電源與數字隔離，電氣隔離耐壓為4000Vrms；
● 測量端靜電放電抗擾度：接觸±4kV；
● 內置濾波電路和濾波算法，具有工頻抑制功能；
● 工作環境為-40℃~85℃。
2. 產品應用
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多、測溫精度高、工作環境溫度高、測量溫漂小的需求。針對這一測溫需求，致遠電子為行業客戶設計了如下方案：
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多的需求，TPS02RAH的輸出接口為I2C，支持主機動態更改模塊I2C地址，實現了單I2C總線掛載多個TPS02RAH測溫模塊的功能。
針對測溫精度高、工作環境溫度高、測量溫漂小的需求，TPS02RAH通過隔離和濾波電路，實現了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
電機將電能轉換成機械能的過程中不可避免地產生了大量的熱損耗，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部位，可用熱電阻、熱電偶進行溫度檢測，電機軸承為動態部件，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，TPS02RAH內置電源和數字隔離，通過內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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