一种提高钢轨温度测量精度的测量电路及参数选取方法与流程

本发明涉及铁路检测领域，尤其涉及一种提高钢轨温度测量精度的测量电路及参数选取方法。
背景技术：
铁路环境情况复杂，无线方案受铁路环境所限制(安装方式——可能引起行车安全问题，无线传输——铁路上干扰、列车屏蔽干扰较多，供电——铁路电是专线，防水，防尘等等)，因此通常采用传感器和采集设备相分离的方式，传感器用夹具固定在钢轨上，采集设备安装在铁路旁安全距离外，这样能够使采集系统和铁路钢轨电气隔离，保证不会因为传感器脱落、电磁干扰等因素对铁路运行带来危害。然而，在上述采用通常传感器与采集设备分离的架构时，由于安装时传感器引线的长短粗细这是现场施工决定的，而引线的长短粗细所带来的电阻不一致，这就造成温度测量精度的降低。较长的传感器引线和接触阻抗会给测量带来较大的误差，同时较长引线也会让环境干扰越发显著。具体地，引线的电阻会直接导致测量温度的整体偏移，由于引线电阻的阻值不确定，所以测量温度的整体偏移也就不确定，结果就是测量精度降低。现有技术的传统测量方法是直接测量后，再减去引线和接触电阻对应的温度值，这种方式在每次安装时都得测量引线和接触电阻值，现场操作很不方便，且容易受到测量仪器的精度和测量人员的主管意识影响，造成测量误差巨大。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高钢轨温度测量精度的测量电路及参数选取方法，解决现有技术。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种提高钢轨温度测量精度的测量电路，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。进一步地，所述的三输出热电阻r的型号为pt100。进一步地，所述的引线电阻r1、r2和r3大小相等。进一步地，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。进一步地，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。进一步地，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。本发明还提供所述的一种提高钢轨温度测量精度的测量电路的参数选取方法，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；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；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；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。进一步地，所述的方法还包括：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。进一步地，所述的方法还包括：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。进一步地，通常情况下，所述的引线电阻r1、r2和r3大小相等，因此在步骤s3中无需获得引线电阻r1、r2和r3的实际大小。本发明的有益效果是：(1)本发明采用三线制卧式电桥电路，不需要测量传感器引线和接触电阻的值，在特定的电路参数情况下，可以极大地降低引线和接触电阻带来的测量误差，提升采集电路的精度、稳定性和抗干扰能力，也简化了现场安装流程。(2)本发明的电路结构就可以消除或大大降低传感器引线电阻所带来的影响，并且配合参数选取方法中的特定电路参数表现会更好，无需使用外围的补偿电阻(需要根据现场的安装需求进行调节)进行补偿从而消除传感器引线电阻的影响。(3)本发明的参数选择方法，使得本发明无需专门用于调节零点和满度的电路，由电路参数就可以确定，当一个电路在应用环境和技术指标确定后，电路参数就确定了。而现有技术需要根据现场的实际情况(例如采用不同长短粗细的引线)，需要调节补偿电阻用以消除引线误差。(4)本发明对输入共模信号有滤波抑制作用(电容c1抑制共模信号)，并且对输入交流信号有滤波抑制作用(r5、c2、c4对运放正输入端信号起低通滤波，r6、c3、c5对运放负输入端信号起低通滤波)。(5)所需器件少、成本低，电路焊接好后就不需要调整了，可以直接批量应用。附图说明图1为本发明电路连接示意图；图2为卧式电桥示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。实施例1一种提高钢轨温度测量精度的测量电路，该电路用于通过有线的方式测量铁路钢轨的温度数据，该测量电路的三输出热电阻r夹持于钢轨上，其余部分通过测量线路。具体地，如图1所示，一种提高钢轨温度测量精度的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。在现有技术中，现有技术的传统测量方法是直接测量后，再减去引线和接触电阻对应的温度值，这种方式在每次安装时都得测量引线和接触电阻值，现场操作很不方便，且容易受到测量仪器的精度和测量人员的主管意识影响，造成测量误差巨大。而在本实施例中，采用三线制卧式电桥电路，不需要测量传感器引线和接触电阻的值，在特定的电路参数情况下，可以极大地降低引线和接触电阻带来的测量误差，提升采集电路的精度、稳定性和抗干扰能力，也简化了现场安装流程。具体地，下述内容限定所述三输出热电阻r的型号为pt100，其余可以实现的三输出热电阻r均可以用于替换。卧式电桥属于非平衡式电桥的一种，如图2所示，r1＝rx、r2＝r3，且r1≠r2，此时电桥平衡，输出压差u0为0。非平衡式电桥通常有电压输出和功率输出两种模式。在采集系统中，由于电桥输出端接入器件的阻抗都较高，所以一般采用电压输出模式。由图2可得，在电桥输出端接入器件输入阻抗趋近于无穷的情况下：令rx＝rx0+δr，rx为被测电阻，rx0为其初始值，δr为其电阻变化量，由公式(1)可以得到：对于卧式电桥，可以将公式(2)简化为：由公式(3)可得，当rx0足够大时，输出电压值u0与电阻变化量δr呈线性关系。而对应地，本实施例采用图1中所述的的三线制卧式电桥电路。当电桥平衡时，(r1+r1+r2)·r3＝(r4+r2+r3+rpt100)·r2，其中r1、r2、r3为pt100传感器引线，且在r1＝r2＝r3＝r的情况下(通常情况)，由卧式电桥的特性可知：r1＝r4+rpt100＝rx。则输出卧式电桥输出电压为：引入电阻增量δr，由公式(4)可得：其中，rx0＝r1＝(r4+pt100的参考电阻)，pt100的参考电阻根据实际应用情况选取。由公式(5)可得，当rx0取值较大、δr电阻变化量较小时，引线电阻r(r指的是传感器单端引线阻抗，实际应用中传感器两端引线带入阻抗为2r)不会对输出电压有太大的影响(在实际应用中，通常r小于1ω，极端情况下不会超过3ω)。另外，优选地，如图1所示，在本实施例中，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。同时，优选地，如图1所示，在本实施例中，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。具体地，如图1所示，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。实施例2基于上述实施例的实现，本实施例还提供所述的一种提高钢轨温度测量精度的测量电路的参数选取方法，该方法用于对上述测量电路中各个元器件的值进行选择。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。具体地，在本实施例中，钢轨温度的范围在-40℃～+100℃。其中，通常测量温度的最低温度点称为零点(对应运算放大电路输出端连接的ad采样范围的最低电压)，最高温度点称为满度(对应运算放大电路输出端连接的ad采样范围的最高电压)。但在实际引用中，为提升精度，通常会留有一定余量。例如，ad采样范围为0～4.5v，那么实际零点会设在0.1v左右，满度会设置4.4v左右。当钢轨温度的范围在-40℃～+100℃，对应的pt100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，将基点定在略小于所述钢轨温度的范围最小值处，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。因此在本实施例中，选取-43℃对应的电阻值83.08ω作为基点。根据从实施例1中给出的公式(5)和后续测试数据可知，在基点时误差理论为0，离基点温度越远，累积误差越大。所以，基点设在-40℃对应的84.27ω最理想，但实际很难找到此阻值的电阻，并且考虑一定的容错范围，因此将基点定在-43℃。而如果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可以采样正负值的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。具体地，因为是卧式电桥所以r2＝r3、r1+r1＝r4+r3+pt100，为了降低电路本身带来的误差，r2的值与r1+r1的值不能差别太大，且考虑能够购买到的通用精密电阻，因此选取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pt100的电阻值(pt100在-43℃对应的电阻值为83.08ω)，在基点时，电桥处于平衡状态，误差为零，随着pt100的阻值变大(即温度升高)，电桥处于非平衡状态，累计误差也会逐渐增大，在100℃是误差最大(误差逐渐增大的理论支持是公式(5))。当基点选定，电路参数选定后，整个电路额零点也就定了，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时运算放大电路的输入端的电压大小。当获得电桥测量最高温度时输出电压(此处是100℃)，在本实施例中，电桥测量最高温度时输出电压为0.0725v。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。当零点确定后，满度＝电桥测量最高温度时输出电压(此处是100℃)×运放放大倍数，电桥测量最高温度时输出电压为0.0725v×运放放大倍数62＝4.495v，满足ad转换器0～4.5v的电压采样范围，所以直接给出放大倍数62。由于运算放大电路属于现有技术，因此不对其结构进行赘述。更优地，在本实施例中，所述的方法还包括：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。对于实施例1中优选方案的第一低通滤波电路和第二低通滤波电路，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。更优地，在本实施例中，所述的方法还包括：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。而c1＝0.001uf是通用的消除共模信号电容。更优地，在本实施例中，通常情况下，所述的引线电阻r1、r2和r3大小相等，因此在步骤s3中无需获得引线电阻r1、r2和r3的实际大小。按照以上参数，在实际应用中(传感器单端电阻r<1ω，0.2平方的铜线10米长度时电阻约0.86ω)，测量精度小于0.2℃(交底书中有对应数据)，已经能够满足实际应用。另外，为了保证测量精度和抗干扰能力，可以根据实际应用环境采用以下方式进一步提升电路性能：(1)r1和r2的值差别尽量小，这样可以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。(2)r1的值选取要合适，太小不仅增加电路功耗，而且增加了测量的累积误差；太大可以降低电路的测量累积误差，但后端运放放大倍数加大，单级放大难以满足要求，需要多级放大电路，同时也会带入电路自身的噪音。(3)后端op放大器根据具体需求可以采用仪表放大器，进一步提升电路的抗干扰能力。参考电源e采用高精度的参考电源能进一步提升温度采集通路的稳定性和精度。(4)降低温度测量范围，可以降低累积误差。由此思想可将r1换成高精度的数字电位器，分温度段设置基点，提升测量精度，降低累积误差。(5)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可以采样正负值的ad转换器。实施例3本实施例按照实施例2中选择的参数搭建了对应的测量电路，并对数据进行获取，具体地：钢轨温度通常测量范围在-40℃～+100℃，对应的pt100电阻值为84.27ω～138.51ω，选取-43℃对应的电阻值83.08ω作为基点，在该点时，电桥处于平衡。令其中r1＝825ω，r2＝r3＝1kω，r4＝908ω，r5＝r6＝10kω，c1＝0.001uf，c2＝c3＝0.1uf，c4＝c5＝4.7uf，参考电源e＝5v，ad转换器位数为16位、采样电压范围为4.5v。根据公式(3)、(5)可得，卧式电桥输出电压值u0如下表所示：温度(℃)r＝0ωr＝0.25ωr＝0.5ωr＝1ωr＝3ωr＝5ω-400.000550.000550.000550.000550.000550.00055200.010810.010810.010810.010800.010780.0107600.021470.021460.021460.021450.021400.02135200.031960.031960.031950.031930.031860.03179400.042320.042310.042300.042270.042180.04209600.052520.052510.052490.052460.052350.05224800.062590.062570.062550.062520.062390.062251000.072500.072480.072470.072430.072270.07212表1-卧式电桥输出电压值u0将卧式电桥输出电压u0经过放大器op放大到ad转换器有效的采集电压范围内，u＝k·u0，其中k为运放放大倍数。根据上面参数，这里k＝62。则ad转换器采集电压u的值如下表所示：温度(℃)r＝0ωr＝0.25ωr＝0.5ωr＝1ωr＝3ωr＝5ω-400.0340.0340.0340.0340.0340.034200.6710.6700.6700.6700.6680.66701.3311.3311.3301.3301.3271.324201.9821.9811.9811.9801.9751.971402.6242.6232.6222.6212.6152.610603.2563.2553.2553.2533.2463.239803.8803.8793.8783.8763.8683.8601004.4954.4944.4934.4904.4814.471表2-ad转换器采集电压值u由表1和表2可得：在引线阻抗不变的情况下，随着测量温度的升高，测量误差逐渐增大；而在温度不变的情况下，引线阻抗逐渐增大，测量误差逐渐增大。因此，在远离基点(即电桥平衡点)的100℃时，测量的误差最大；在靠近基点的0℃时，测量误差很小，接近为零。将ad转换器采集电压u的值通过ad量化后并换算成对应的温度值t，结果如下表所示：100℃r＝0ωr＝0.25ωr＝0.5ωr＝1ωr＝3ωr＝5ωad值(16bit)654636544965434653906525965113t(℃)100.0099.9799.9499.8499.5599.23δt(℃)00.030.060.160.450.77t(℃)01.252.551525表3-换算对应的温度值t在表3中，δt表示带入引线电阻和不带入引线电阻之间测量温度的差值，tr表示直接测量时传感器双端引线和接触电阻对应的温度值(在-40℃～+100℃温度段，0.4ω近似对应1℃)。因此由表3可得，采用上述实施例提供的电路结构和电路参数，在通常情况下(r<1ω)，测量的最大误差不超过0.2℃，在极限情况下(r<3ω)，测量最大误差也不会超过0.5℃。与直接测量时导线和接触电阻引入的温度值tr相比，测量误差大大地降低。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。当前第1页12