[发明专利]一种提高钢轨温度测量精度的测量电路及参数选取方法

权利要求书

1.一种提高钢轨温度测量精度的测量电路的参数选取方法，其特征在于：测量电路包括三输出热电阻R、三线制电桥电路和运算放大电路；

所述的三输出热电阻R的三个输出端分别具有引线电阻r1、r2和r3，所述的三线制电桥电路包括环形连接的电阻R1、R2、R3和R4，其中R1与R2的公共连接点连接参考电源E，R3与R4的公共连接点接地；其中，R₂＝R₃，并且当三线制电桥电路平衡时，(R₁+r₁+r₂)·R₃＝(R₄+r₂+r₃+R)·R₂；

三输出热电阻R的A端通过r1与R1连接，三输出热电阻R的A端还通过r2与运算放大电路的正输入端连接，三输出热电阻R的B端通过r3与R4连接；R2与R3的公共连接点还与运算放大电路的负输入端连接；

运算放大电路的输出端输出测量信号；

所述的测量电路还包括分别设置于运算放大电路的正输入端的第一低通滤波电路、以及设置于运算放大电路的负输入端的第二低通滤波电路；

所述的第一低通滤波电路包括R5、C2和C4，其中R5的一端与r2连接，R5的另外一端分别与运算放大电路的正输入端、C2的一端、C4的一端连接，C2的另外一端和C4的另外一端接地；所述的第二低通滤波电路包括R6、C3、C5，其中R6的一端分别与R2和R3连接，R6的另外一端分别与运算放大电路的负输入端、C3的一端、C5的一端连接，C3的另外一端和C5的另外一端接地；

所述的测量电路还包括共模信号抑制电路，用于对输入的共模信号产生滤波抑制作用；所述的共模信号抑制电路包括连接于运算放大电路的正输入端和负输入端之间的电容C1；

后端运算放大电路采用仪表放大器，进一步提升电路的抗干扰能力；

降低温度测量范围降低累积误差，因此将R1替换成高精度的数字电位器，分温度段设置基点，降低温度测量范围，提升测量精度，降低累积误差；

所述方法包括以下步骤：

S1：确定实际需要测量的钢轨温度的范围，并根据所述范围确定三输出热电阻R的电阻值范围；钢轨温度的范围在-40℃～+100℃，对应的热电阻的电阻值为84.27Ω～138.51Ω；

S2：根据找到实际电阻的阻值的难易程度以及考虑一定的容错，选择基点，获得在基点时三输出热电阻R的阻值大小；其中当处于基点时，所述三线制电桥电路处于平衡状态；选取-43℃对应的电阻值83.08Ω作为基点；其中将基点选择在测量温度范围中心点，中心点两端的温度测量值均会有累积误差，但与基点设在一端相比，累积误差将缩小一半，运放后端需要添加偏移电路或者直接选用采样正负值的AD转换器；

S3：根据R₂＝R₃和当三线制电桥电路平衡时(R₁+r₁+r₂)·R₃＝(R₄+r₂+r₃+R)·R₂的条件、引线电阻r1、r2和r3的实际大小、以及考虑能够购买到的通用精密电阻，进行三线制电桥电路电阻大小的选取：首先选取R2和R3的大小，并根据在基点时三输出热电阻R的阻值大小选取电阻R1和R4的大小；R1和R2的值差别尽量小，这样保证电桥两臂阻抗一致，对电源和外部干扰的抗性能够得到极大的提升；

选取R2＝R3＝1kΩ，而对于电阻R1和R4的大小，选取R1＝825Ω、R4＝908Ω，这样R4-R1＝908Ω-825Ω＝83Ω，正好对应基点-43℃时热电阻的电阻值83.08Ω，在基点时，电桥处于平衡状态，误差为零，随着热电阻的阻值变大即温度升高，电桥处于非平衡状态；当基点选定，电路参数选定后，整个电路的零点也就定了，不需要再调节；

S4：根据选择的电阻R1、R2、R3和R4的大小，得到此时在所述钢轨温度的范围最大值和/或最小值时运算放大电路的输入端的电压大小；

S5：根据后续AD转换电路的采样范围，确定运算放大电路的放大倍数；

S6：考虑运算放大电路输入端信号输入的低通滤波带宽范围，选取设置于运算放大电路输入端的低通滤波电路的参数；R5、R6、C2、C3、C4、C5的值选取主要考虑运放输入端信号输入的低通滤波带宽范围，选取R5＝R6＝10kΩ，C2＝C3＝0.1uF，C4＝C5＝4.7Uf，主要是由于温度为慢变化，对应电压信号比较平稳，所以对交流信号都要有抑制；

S7：选取设置于运算放大电路两个输入端之间的消除共模信号电容的参数；C1＝0.001uF是通用的消除共模信号电容；

采用上述提供的电路结构和电路参数，在通常情况下即r1Ω，测量的最大误差不超过0.2℃，在极限情况下即r3Ω，测量最大误差也不会超过0.5℃。