一種高可靠精確測溫電路的製作方法
2023-05-22 15:50:31
一種高可靠精確測溫電路的製作方法
【專利摘要】一種高可靠精確測溫電路，涉及測溫領域。為了實現測得的溫度值具有較高的測量精度(1℃以內的測量誤差)和很高的可靠性要求；且能夠實現IMU設備隨飛彈離開發射車時的狀態實時顯示的問題。它包括恆流源採樣電路、運算電路和狀態檢測電路。恆流源採樣電路為採樣電阻提供恆流源，並輸出溫度採樣信號；運算和顯示電路對溫度採樣信號進行運算處理，輸出信號至面板數字表進行顯示；狀態檢測電路檢測採樣線通、斷狀態，並控制外部數字表的顯示。所述測溫電路能夠承受-40℃～+60℃的環境溫度，具有簡單、成本低、可靠性高、抗振性好，精度好的特點，可廣泛應用於車載飛彈武器系統中IMU設備的溫度檢測。本實用新型還適用於其他裝置的測溫。
【專利說明】
一種高可靠精確測溫電路
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及測溫領域，特別涉及一種用於車載飛彈武器系統中IMU(慣性測量單元)設備的一種高可靠的測溫電路。
【背景技術】
[0002]MU(慣性測量單元)是整個飛彈武器控制系統最精密的部分，它包括了慣導加速度計、慣導陀螺儀等，而這些設備性能受溫度影響很大，所以必須輔以精密的溫控系統。為了使MU設備快速達到預定的溫度，車載飛彈武器系統通常會在飛彈運輸過程中給MU設備進行預加溫，以保證飛彈在到達陣地時能迅速進入作戰狀態。本實用新型所述的測溫電路作為MU加溫控制組合中的一項功能起著極為重要的作用。
[0003]測量溫度的方法有很多，根據採樣的方式可以分為接觸式和非接觸式。接觸式包括有熱電偶、熱電阻、傳感晶片等，非接觸式包括紅外測溫儀等。接觸式傳感器精度較高，通常精度可以達到0.5%以內，但需要與被測物體進行充分的熱交換，需經過一定的時間後才能達到熱平衡，存在著測溫的延遲現象。紅外溫度儀因具有使用方便，反應速度快，靈敏度高，測溫範圍廣，但是精度較低。
[0004]目前在軍用範圍內使用最廣泛的溫度傳感器主要有熱電偶和熱電阻，例如鉬熱電阻就是使用最廣泛的傳感器之一。
[0005]鉬電阻是用很細的鉬絲(Φ0.03?0.07mm)繞在雲母支架上製成，是國際公認的高精度測溫標準傳感器。因為鉬電阻在氧化性介質中，甚至高溫下其物理、化學性質都非常穩定，因此它具有精度高、穩定性好、性能可靠的特點。因此鉬電阻在中溫(-200?650°C)範圍內得到廣泛應用。
[0006]現有的採用鉬電阻測量溫度一般有兩種方案:1)、設計一個恆流源通過鉬電阻，通過檢測鉬電阻電壓的變化來換算出溫度；2)、採用惠斯通電橋(Wheatstone bridge),電橋的四個電阻中三個是恆定的，另一個用鉬電阻，當鉬電阻值變化時，測試端產生一個電勢差，由此電勢差換算出溫度，如圖6所示。以上兩種方法測量原理相同，都是採樣鉬電阻兩端電壓，將電壓信號送運算電路或單片機做信號處理後顯示成溫度信號。比較以上分析的兩種鉬電阻的測量方式，電橋法測量電阻時如圖6所示，當鉬電阻隨溫度變化時，電橋不平衡，所測的B、D兩點電勢差與鉬電阻阻值不成線性關係，且計算公式較為複雜，若直接採樣計算會使後級的信號運算電路變的龐大或者使單片機的程序編寫增加難度，這種方式通常採用單片機直接查表然後加入插值線性化算法進行處理。而恆流源採樣方式則可以省去了線性化算法處理的步驟，可以通過A\D轉換後單片機運算顯示也可以直接經運算放大器處理以模擬方式顯示，應用方式靈活多樣。
[0007]但是上述兩種測溫方法，在較寬溫度範圍(_40°C?+60°C )和震動的環境中，測得的溫度的精度比較低，且不能滿足軍用設備的可靠性的要求。
實用新型內容
[0008]本實用新型為了實現在較寬溫度範圍(_40°C?+60°C )和震動的環境中，針對車載飛彈武器系統中IMU (慣性測量單元)設備的測溫，實現測得的溫度值具有較高的測量精度(1°C以內的測量誤差)和很高的可靠性要求(MTBF);且能夠實現MU設備隨飛彈離開發射車時的狀態實時顯示的問題，提出了一種高可靠精確測溫電路。
[0009]一種高可靠精確測溫電路，它包括恆流源採樣電路1A、運算電路2A和狀態檢測電路3A ;恆流源採樣電路IA用於為採樣電阻提供恆流源，並輸出溫度採樣信號給運算電路2A ;運算電路2A用於對溫度採樣信號進行運算處理，並輸出處理後的溫度採樣信號；狀態檢測電路3A用於檢測連接恆流源採樣電路與運算電路的採樣線的通、斷狀態，並控制外部數字表的顯示。
[0010]一種高可靠精確測溫電路，它還包括數字表4A，數字表4A用於顯示處理後的溫度米樣信號。
[0011]本實用新型所述的測溫電路以恆流源採樣電路為基礎，以運算放大器作信號處理的模擬電路方式。根據歐姆定律，V = IXR，使鉬電阻通過恆定的電流，測量其兩端的電壓值，其電壓值對應某溫度時的電阻值，將該電壓信號用運算放大器處理後送表頭顯示，即可顯示當前溫度。恆流源採樣方式的鉬電阻與兩端的電勢差線性度好，可以省去線性化算法處理的步驟，可以通過A\D轉換後單片機運算顯示也可以直接經運算放大器處理以模擬方式顯示，應用方式靈活多樣。採用本實用新型所述的測溫電路，在較寬溫度範圍(_40°C?+60°C)和震動的環境中，測得的溫度值仍較高的測量精度(1°C以內的測量誤差)和很高的可靠性，相比現有測溫電路，可靠性提高了 20%以上；且能夠實現MU設備隨飛彈離開發射車時的狀態實時顯示。
[0012]本實用新型還適用於其他裝置的測溫。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型所提供一種高可靠精確測溫電路的框體連接示意圖；
[0014]圖2為恆流源採用電路的電路示意圖；
[0015]圖3為運算電路的電路示意圖；
[0016]圖4為狀態檢測電路的電路示意圖；
[0017]圖5為本實用新型所提供的一種高可靠精確測溫電路的各部分電路連接關係圖；
[0018]圖6為【背景技術】中所述的電橋法測量電阻的電路圖；
[0019]其中，IA為恆流源採樣電路；2A為運算電路、3A為狀態檢測電路，4A為數字表，Temp為米樣信號。
【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一、參照圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種高可靠精確測溫電路，它包括恆流源採樣電路1A、運算電路2A和狀態檢測電路3A ;恆流源採樣電路IA用於為採樣電阻提供恆流源，並輸出溫度採樣信號給運算電路2A ;運算電路2A用於對溫度採樣信號進行運算處理，並輸出處理後的溫度採樣信號；狀態檢測電路3A用於檢測連接恆流源採樣電路與運算電路的採樣線的通、斷狀態，並控制外部數字表的顯示。
[0021]本實用新型所述的測溫電路由於所用元器件體積小，結構簡單，最終印刷電路板尺寸僅為58mmX 45mm，可以方便安裝在MU加溫控制組合的機箱中，並隨整機通過了高低溫環境試驗、振動試驗以及運輸試驗。為保證測量精度，實際電路中運放使用了精度較高的工業級0P177運算放大器以及1%。精度的國軍標電阻，而這些器件都能在_40°C?+60°C溫度範圍內正常穩定工作。在5米距離測溫試驗中，精度仍可以保持在±0.3°C內；若採用截面積較大的鍍銀採樣線並調節基準，仍能在10米距離內保持±0.5°C以內的測量精度。另夕卜，由於本實用新型採用器件較少，能有效的降低成本，並使得累計失效率低，從而達到了高可靠性指標(MTBF)。
[0022]【具體實施方式】二、本實施方式是對具體方式一所述的一種高可靠精確測溫電路的進一步說明，本實施方式中，它還包括數字表(4A)，數字表(4A)用於顯示處理後的溫度採樣信號。
[0023]【具體實施方式】三、參照圖2至圖5具體說明本實施方式，本實施方式是對具體方式二所述的一種高可靠精確測溫電路的進一步說明，本實施方式中，恆流源採樣電路(I)包括運算放大器N1、電容C3、電容C5、電阻R6、電阻R8、電阻R9、跟隨器N2、電容C4、電容C6、電阻R5、電阻R7和鉬電阻pt ；
[0024]電容C3的一端接地，另一端同時連接+12V電源及運算放大器NI的正電源接線端；電容C5的一端接地，另一端同時連接-12V電源及運算放大器NI的負電源接線端；
[0025]電容C4的一端接地，另一端同時連接+12V電源及跟隨器N2的正電源接線端；電容C6的一端接地，另一端同時連接-12V電源及跟隨器N2的負電源接線端；
[0026]電阻R7的一端與運算放大器NI的輸出接線端相連，另一端與跟隨器N2的正輸入接線端及鉬電阻Pt的一端相連，鉬電阻Pt的一端即為採樣信號的輸出端，鉬電阻Pt的另一端同時連接地及電阻R8的一端；電阻R8的另一端連接運算放大器NI的負輸入接線端；電阻R6的一端連接+5V電源，電阻R6的另一端同時連接運算放大器NI的正輸入接線端及電阻R5的一端；電阻R5的另一端連接跟隨器N2的輸出接線端；跟隨器N2的輸出接線端連接跟隨器N2的負輸入接線端；
[0027]運算電路⑵包括跟隨器N3、電容C7、電容C10、電阻R13、電阻R15、電阻R18、電阻R19、減法器N4、電容C8、電容(:11、電阻町0、電阻1?11、電阻1?12、電阻1?20、電阻1?21、電阻R22、電阻R14、電阻R17、濾波電阻R16和濾波電容C9 ；
[0028]電容C7的一端接地，另一端同時連接+12V電源及跟隨器N3的正電源接線端；電容ClO的一端接地，另一端同時連接-12V電源及跟隨器N3的負電源接線端；
[0029]電容C8的一端接地，另一端同時連接+12V電源及減法器N4的正電源接線端；電容Cll的一端接地，另一端同時連接-12V電源及減法器N4的負電源接線端；
[0030]電阻R13的一端連接恆流源採樣電路(I)中的採樣信號的輸出端；電阻R13的另一端連接跟隨器N3的正輸入接線端；電阻R15的一端接地，電阻R15的另一端同時連接跟隨器N3的負輸入接線端及電阻R18的一端；電阻R18的另一端連接電阻R19的一端，電阻R19的另一端同時連接跟隨器N3的輸出接線端及電阻R14的一端；電阻R14的另一端同時連接電阻RlO的一端及減法器N4的正輸入接線端；電阻R10、電阻Rll和電阻R12依次串聯，且電阻R12的另一端接地；電阻R17的一端連接+5V基準電壓，電阻R17的另一端同時連接減法器N4的負輸入接線端及電阻R20的一端；電阻R20、電阻R21和電阻R22依次串聯，且電阻R22的另一端同時連接減法器N4的輸出接線端及電阻R16的一端，電阻R16的另一端同時連接數字表(4A)的顯示接線端及電容C19的一端，電容C19的另一端接地；
[0031]狀態檢測電路(3)包括電阻R23、電阻R24、比較器N5、電容C12、電阻R28、電阻R29、電阻R30、電阻R31、電阻R32、電阻R33、電阻R34、光電耦合器Ql、三極體T2和二極體Dl ;光電耦合器Ql包括光敏二極體IRLED和三極體Tl ；
[0032]電阻R23和電阻R24構成分壓電路；比較器N5、電容C12、電阻R28、電阻R29和電阻R30構成比較電路；光電耦合器Q1、三極體T2、電阻R31、電阻R32、電阻R33和電阻R34構成開關電路；
[0033]電阻R23的一端連接運算電路(2)中的電阻R19的另一端；電阻R23的另一端同時連接電阻R24的一端及比較器N5的正輸入接線端；電阻R24的另一端接地；電阻R28的一端接+5V電源，電阻R28的另一端同時連接比較器N5的負輸入接線端及電阻R29的一端，電阻R29的另一端同時連接比較器N5的負電源接線端及地；電容C12的一端接地，另一端同時連接+12V電源及比較器N5的正電源接線端；
[0034]電阻R30的一端連接比較器N5的正電源接線端，電阻R30的另一端連接二極體Dl的負極，二極體Dl的正極同時連接比較器N5的輸出接線端、電阻R32的一端及光敏二極體IRLED的負極；電阻R32的另一端同時連接電阻R31的一端及光敏二極體IRLED的正極，電阻R31的另一端連接+12V電源；
[0035]三極體Tl中的發射極同時連接三極體T2的基極及電阻R34的一端，電阻R34的另一端連接三極體T2的發射極並接地；三極體T2的集電極連接電阻R33的一端，電阻R33的另一端連接三極體Tl的集電極；電阻R33的一端作為數字表的顯示接線端，且與數字表(4A)的顯示接線端連接。
[0036]本實施方式中，所述的恆流源電路(I)中通過調節鉬電阻阻值即可確定恆流值的大小。經電阻R16、C9濾波後輸出至面板數字表。【具體實施方式】一中所述的連接恆流源採樣電路與運算電路的採樣線即為連接鉬電阻和電阻R13之間的線。
[0037]本實用新型的工作原理:
[0038]下面結合附圖1和圖2詳細描述本實用新型所提供的一種高可靠精確測溫電路的工作原理。
[0039](I)恆流源採樣電路:
[0040]以電壓源 V2 = 5V、電阻 R5 = R6 = R7 = R8 = R9 = 10K、電容 Cl = C2 = C3 =C4 = 0.1 μ F、鉬電阻為Pt800為例說明該電路的工作原理。
[0041]根據運算放大器的「輸入高阻」、「虛短」、「虛斷」等特性進行分析:
[0042]因為，R5= R6，貝丨J V2-V3 = V3-V1, V1+V2 = 2V3 ；
[0043]則V4 = 2V3 ；IXR7 = V4-V1 = 2V3-V1 = 2V3_(2V3_V2) = V2,
[0044]則I = V2/R7，所以流過電阻R7的電流為V2/R7，調節R7阻值即可確定恆流值的大小。
[0045]通常鉬電阻的工作電流為小於1mA。此電路中為減小因鉬電阻自身發熱造成阻值變化的影響，取R7為10k，恆流值為0.5mA。
[0046](2)運算電路
[0047]以電阻 R13 = R14 = R15 = R17 = 10K、R18 = 100K、R19 = 15K、RlO = R20 =22K、Rll = R21 = 20K、R12 = R22 = 0.1K、電容 C7 = C8 = C9 = C1 = Cll = 0.1 μ F 為例說明該電路的工作原理。
[0048]由於鉬電阻Pt800在(TC時電阻800Ω，測量範圍為_40°C?+60°C，所以必須設置800 Ω時OV作為基準，用放大後的電壓減去基準，得出所要顯示的電壓值。故採用兩級運放電路，前一級為採樣和放大，後一級為減法器。採樣信號Temp經跟隨器N3放大後與基準電壓+5Vref進行減法運算，輸出電壓經電阻R16，C9濾波後送至數字表進行顯示。
[0049](3)狀態監測電路
[0050]以電阻 R23 = R24 = 10K、R30 = 1M、R28 = 3K、R29 = 12K、R32 = R33 = R34 =1K、R31 = 2K、電容C12 = 0.1 μ F為例說明該電路的工作原理。
[0051 ] IMU設備溫度範圍為-40 V?+60 V，對應電壓-4V?+6V，所以當採樣電壓超過8V,經電阻R23、R24分壓後超過4V，此時比較器3腳電壓大於2腳，比較器N5輸出高電平，判定採樣線懸空，從而光電耦合器Ql關斷，三極體T2驅動電壓降為0V，關斷，此時數字錶停止顯示溫度值，通過這種狀態也可以判斷出彈上MU設備與發射車斷開連接。
【權利要求】
1.一種高可靠精確測溫電路，其特徵在於，它包括恆流源採樣電路(1A)、運算電路(2A)和狀態檢測電路(3A);恆流源採樣電路(IA)用於為採樣電阻提供恆流源，並輸出溫度採樣信號給運算電路(2A);運算電路(2A)用於對溫度採樣信號進行運算處理，並輸出處理後的溫度採樣信號；狀態檢測電路(3A)用於檢測連接恆流源採樣電路與運算電路的採樣線的通、斷狀態，並控制外部數字表的顯示。
2.根據權利要求1所述的一種高可靠精確測溫電路，其特徵在於，它還包括數字表(4A)，數字表(4A)用於顯示處理後的溫度採樣信號。
3.根據權利要求2所述的一種高可靠精確測溫電路，其特徵在於，恆流源採樣電路(I)包括運算放大器N1、電容C3、電容C5、電阻R6、電阻R8、電阻R9、跟隨器N2、電容C4、電容C6、電阻R5、電阻R7和鉬電阻pt ； 電容C3的一端接地，另一端同時連接+12V電源及運算放大器NI的正電源接線端；電容C5的一端接地，另一端同時連接-12V電源及運算放大器NI的負電源接線端； 電容C4的一端接地，另一端同時連接+12V電源及跟隨器N2的正電源接線端；電容C6的一端接地，另一端同時連接-12V電源及跟隨器N2的負電源接線端； 電阻R7的一端與運算放大器NI的輸出接線端相連，另一端與跟隨器N2的正輸入接線端及鉬電阻Pt的一端相連，鉬電阻Pt的一端即為採樣信號的輸出端，鉬電阻Pt的另一端同時連接地及電阻R8的一端；電阻R8的另一端連接運算放大器NI的負輸入接線端；電阻R6的一端連接+5V電源，電阻R6的另一端同時連接運算放大器NI的正輸入接線端及電阻R5的一端；電阻R5的另一端連接跟隨器N2的輸出接線端；跟隨器N2的輸出接線端連接跟隨器N2的負輸入接線端； 運算電路⑵包括跟隨器N3、電容C7、電容C1、電阻R13、電阻R15、電阻R18、電阻R19、減法器N4、電容C8、電容(:11、電阻町0、電阻1?11、電阻1?12、電阻1?20、電阻1?21、電阻1?22、電阻R14、電阻R17、濾波電阻R16和濾波電容C9 ； 電容C7的一端接地，另一端同時連接+12V電源及跟隨器N3的正電源接線端；電容ClO的一端接地，另一端同時連接-12V電源及跟隨器N3的負電源接線端； 電容C8的一端接地，另一端同時連接+12V電源及減法器N4的正電源接線端；電容Cl I的一端接地，另一端同時連接-12V電源及減法器N4的負電源接線端； 電阻R13的一端連接恆流源採樣電路(I)中的採樣信號的輸出端；電阻R13的另一端連接跟隨器N3的正輸入接線端；電阻R15的一端接地，電阻R15的另一端同時連接跟隨器N3的負輸入接線端及電阻R18的一端；電阻R18的另一端連接電阻R19的一端，電阻R19的另一端同時連接跟隨器N3的輸出接線端及電阻R14的一端；電阻R14的另一端同時連接電阻RlO的一端及減法器N4的正輸入接線端；電阻R10、電阻Rll和電阻R12依次串聯，且電阻R12的另一端接地；電阻R17的一端連接+5V基準電壓，電阻R17的另一端同時連接減法器N4的負輸入接線端及電阻R20的一端；電阻R20、電阻R21和電阻R22依次串聯，且電阻R22的另一端同時連接減法器N4的輸出接線端及電阻R16的一端，電阻R16的另一端同時連接數字表(4A)的顯示接線端及電容C19的一端，電容C19的另一端接地； 狀態檢測電路⑶包括電阻R23、電阻R24、比較器N5、電容C12、電阻R28、電阻R29、電阻R30、電阻R31、電阻R32、電阻R33、電阻R34、光電耦合器Q1、三極體T2和二極體Dl ;光電耦合器Ql包括光敏二極體IRLED和三極體Tl ； 電阻R23和電阻R24構成分壓電路；比較器N5、電容C12、電阻R28、電阻R29和電阻R30構成比較電路；光電耦合器Ql、三極體T2、電阻R31、電阻R32、電阻R33和電阻R34構成開關電路； 電阻R23的一端連接運算電路(2)中的電阻R19的另一端；電阻R23的另一端同時連接電阻R24的一端及比較器N5的正輸入接線端；電阻R24的另一端接地；電阻R28的一端接+5V電源，電阻R28的另一端同時連接比較器N5的負輸入接線端及電阻R29的一端，電阻R29的另一端同時連接比較器N5的負電源接線端及地；電容C12的一端接地，另一端同時連接+12V電源及比較器N5的正電源接線端； 電阻R30的一端連接比較器N5的正電源接線端，電阻R30的另一端連接二極體Dl的負極，二極體Dl的正極同時連接比較器N5的輸出接線端、電阻R32的一端及光敏二極體IRLED的負極；電阻R32的另一端同時連接電阻R31的一端及光敏二極體IRLED的正極，電阻R31的另一端連接+12V電源； 三極體Tl中的發射極同時連接三極體T2的基極及電阻R34的一端，電阻R34的另一端連接三極體T2的發射極並接地；三極體T2的集電極連接電阻R33的一端，電阻R33的另一端連接三極體Tl的集電極；電阻R33的一端作為數字表的顯示接線端，且與數字表(4A)的顯示接線端連接。
【文檔編號】G01K7/18GK204064496SQ201420596538
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年10月15日 優先權日:2014年10月15日
【發明者】趙明, 崔夢宇, 李超, 雷鋒成 申請人:北京電子工程總體研究所