[發明專利]一種提高鋼軌溫度測量精度的測量電路及參數選取方法

有效

• 申請號: 201810930631.1
• 申請日: 2018-08-15
• 公開（公告）號: CN108955933B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 王鵬翔;王威;黃斌;秦奇;陳佳;李慧
• 申請（專利權）人: 四川西南交大鐵路發展股份有限公司
• 主分類號: G01K7/24
• 分類號: G01K7/24
• 代理公司: 成都華風專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐;張巨箭

1.一種提高鋼軌溫度測量精度的測量電路的參數選取方法，其特征在于：測量電路包括三輸出熱電阻R、三線制電橋電路和運算放大電路；

所述的三輸出熱電阻R的三個輸出端分別具有引線電阻r1、r2和r3，所述的三線制電橋電路包括環形連接的電阻R1、R2、R3和R4，其中R1與R2的公共連接點連接參考電源E，R3與R4的公共連接點接地；其中，R₂＝R₃，并且當三線制電橋電路平衡時，(R₁+r₁+r₂)·R₃＝(R₄+r₂+r₃+R)·R₂；

三輸出熱電阻R的A端通過r1與R1連接，三輸出熱電阻R的A端還通過r2與運算放大電路的正輸入端連接，三輸出熱電阻R的B端通過r3與R4連接；R2與R3的公共連接點還與運算放大電路的負輸入端連接；

運算放大電路的輸出端輸出測量信號；

所述的測量電路還包括分別設置于運算放大電路的正輸入端的第一低通濾波電路、以及設置于運算放大電路的負輸入端的第二低通濾波電路；

所述的第一低通濾波電路包括R5、C2和C4，其中R5的一端與r2連接，R5的另外一端分別與運算放大電路的正輸入端、C2的一端、C4的一端連接，C2的另外一端和C4的另外一端接地；所述的第二低通濾波電路包括R6、C3、C5，其中R6的一端分別與R2和R3連接，R6的另外一端分別與運算放大電路的負輸入端、C3的一端、C5的一端連接，C3的另外一端和C5的另外一端接地；

所述的測量電路還包括共模信號抑制電路，用于對輸入的共模信號產生濾波抑制作用；所述的共模信號抑制電路包括連接于運算放大電路的正輸入端和負輸入端之間的電容C1；

后端運算放大電路采用儀表放大器，進一步提升電路的抗干擾能力；

降低溫度測量范圍降低累積誤差，因此將R1替換成高精度的數字電位器，分溫度段設置基點，降低溫度測量范圍，提升測量精度，降低累積誤差；

所述方法包括以下步驟：

S1：確定實際需要測量的鋼軌溫度的范圍，并根據所述范圍確定三輸出熱電阻R的電阻值范圍；鋼軌溫度的范圍在-40℃～+100℃，對應的熱電阻的電阻值為84.27Ω～138.51Ω；

S2：根據找到實際電阻的阻值的難易程度以及考慮一定的容錯，選擇基點，獲得在基點時三輸出熱電阻R的阻值大小；其中當處于基點時，所述三線制電橋電路處于平衡狀態；選取-43℃對應的電阻值83.08Ω作為基點；其中將基點選擇在測量溫度范圍中心點，中心點兩端的溫度測量值均會有累積誤差，但與基點設在一端相比，累積誤差將縮小一半，運放后端需要添加偏移電路或者直接選用采樣正負值的AD轉換器；

S3：根據R₂＝R₃和當三線制電橋電路平衡時(R₁+r₁+r₂)·R₃＝(R₄+r₂+r₃+R)·R₂的條件、引線電阻r1、r2和r3的實際大小、以及考慮能夠購買到的通用精密電阻，進行三線制電橋電路電阻大小的選取：首先選取R2和R3的大小，并根據在基點時三輸出熱電阻R的阻值大小選取電阻R1和R4的大小；R1和R2的值差別盡量小，這樣保證電橋兩臂阻抗一致，對電源和外部干擾的抗性能夠得到極大的提升；

選取R2＝R3＝1kΩ，而對于電阻R1和R4的大小，選取R1＝825Ω、R4＝908Ω，這樣R4-R1＝908Ω-825Ω＝83Ω，正好對應基點-43℃時熱電阻的電阻值83.08Ω，在基點時，電橋處于平衡狀態，誤差為零，隨著熱電阻的阻值變大即溫度升高，電橋處于非平衡狀態；當基點選定，電路參數選定后，整個電路的零點也就定了，不需要再調節；

S4：根據選擇的電阻R1、R2、R3和R4的大小，得到此時在所述鋼軌溫度的范圍最大值和/或最小值時運算放大電路的輸入端的電壓大小；

S5：根據后續AD轉換電路的采樣范圍，確定運算放大電路的放大倍數；

S6：考慮運算放大電路輸入端信號輸入的低通濾波帶寬范圍，選取設置于運算放大電路輸入端的低通濾波電路的參數；R5、R6、C2、C3、C4、C5的值選取主要考慮運放輸入端信號輸入的低通濾波帶寬范圍，選取R5＝R6＝10kΩ，C2＝C3＝0.1uF，C4＝C5＝4.7Uf，主要是由于溫度為慢變化，對應電壓信號比較平穩，所以對交流信號都要有抑制；

S7：選取設置于運算放大電路兩個輸入端之間的消除共模信號電容的參數；C1＝0.001uF是通用的消除共模信號電容；

采用上述提供的電路結構和電路參數，在通常情況下即r1Ω，測量的最大誤差不超過0.2℃，在極限情況下即r3Ω，測量最大誤差也不會超過0.5℃。