一種熱電阻溫度測量電路的制作方法

專利名稱：一種熱電阻溫度測量電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱電阻溫度測量電路。
背景技術：
熱電阻是一種常用的溫度傳感器，如PTIO， PTIOO， PTIOOO， NTC30, NTC22 等，將熱電阻連接在一測量電路中，測量電路輸出與熱電阻阻值呈單調關系的 甩壓，即可測量溫度。然而當傳感器安裝位置與測量儀表之間距離較長時，必 須使用較長連接電纜，而連接電纜的導線電阻會引起較大的測量誤差，尤其是 PTIO， PT].OO和PTIOOO。消除連線電阻影響的方法可以采用三線制接線法，但 必須同時采用合適的測量電路。 一般的做法是采用單恒流源或雙恒流源法，例 如中國專利號ZL03263202.9公開的一種熱電阻溫度測量電路，即采用單恒流 源法，但這些做法大多電路較復雜，量程范圍相對較小。有些簡單的電路只能 在個別測量點上對電纜線進行補償，不能對全量程任何測量點進行完全的補 償。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單、量程范圍大的熱電阻溫 度測量電路，對全量程內任何被測電阻值都能完全補償長電纜的影響。
本發明為解決上述技術問題而采用的技術方案是提供一種熱電阻溫度測 量電路，包—括用于提供基準電壓的基準電壓源、用于測量溫度的三線制熱電阻、 增益為G的引線電壓降放大器、基本運算放大器、補償電阻R4、 R7、熱電阻激 勵電壓設定電阻R5、 R6、以及輸出靈敏度設定電阻Rr,
所述三線制熱電阻包括一正端子、 一負端子和一公共端子，正端子通過一 第一導線與基本運算放大器的反相端連接，負端子通過一第二導線與引線電壓 降放大器的輸入端連接，公共端子通過一第三導線接地；
所述補償電阻R4—端與基本運算放大器的反相端連接，另一端與引線電
壓降放大器-的輸出端連接，補償電阻R7—端與基本運算放大器的同相端連接， 另一端與引線電壓降放大器的輸出端連接；
所述熱電阻激勵電壓設定電阻R5—端與基準電壓源連接，另一端與基本 運算放大器的同相端連接，熱電阻激勵電壓設定電阻R6—端與基本運算放大器
的同相端連接，另一端接地；
所述輸出靈敏度設定電阻R3跨接在基本運算放大器的輸出端與反相端之間。
所述的熱電阻溫度測量電路，其中，所述引線電壓降放大器的增益G大于2。
所述的熱電阻溫度測量電路，其中，所述引線電壓降放大器可包括一運算 放大器以及電阻Rs、 R9，運算放大器的同相端作為輸入端與三線制熱電阻的負
端子連接，電阻R8連接在基本運算放大器的輸出端與反相端之間，電阻R9 —
端與基本運算放大器的反相端連接，另一端接地。
所述的熱電阻溫度測量電路，可包括量程設定電阻R,，電阻R,—端與所 述基準電壓源連接，另一端與基本運算放大器的反相端連接。
所述的熱電阻溫度測M電路，i《包拈雖程設定電阻R2，電阻R2 —端與基 本運算放大器的反相端連接，另一端通過所述第一導線與三線制熱電阻的正端 子連接。
所述的熱電阻溫度測量電路，可同時包括上述的量程設定電阻R,、 R2。
所述的熱電阻溫度測量電路，其中，所述第一、第二和第三導線使用相同 材料并具有相同長度，即電阻相同。
所述的熱電阻溫度測量電路，其中，所述補償電阻R4、 R7的阻值設定為
<formula>formula see original document page 5</formula>當電阻I^不存在時，在上述公式中令1/R產0計算。
本發明的熱電阻溫度測量電路，通過合理選擇電路參數，尤其是補償電阻 的參數，使輸出電壓vt與熱電阻的阻值Rt存在確定的單調關系，并且與連接 電纜阻值無關。Vt經過A/D變換，由軟件算出熱電阻的阻值Rt，再根據Rt與
溫度t之間的已知函數關系算出溫度值，即為測量結果。因此，對全量程范圍
內的任何Rt阻值，以及各種電纜長度的條件下，都能完全補償電纜線的影響。 該電路結構簡單，還具有量程范圍大的優點。當配以較高精度的A/D時，在沒 有跳線的情況下，可以用同一個電路測量PT100， PT1000, NTC30等不同類型 的熱電阻，只要在測量范圍內它們的熱電阻值互不重疊，軟件即可以自動識別 熱電阻類型，并測出精確的溫度值。該電路尤其適合三線制熱電阻RTD溫度 傳感器，同時也能適應二線制溫度傳感器的情況，雖然此時不能補償導線電阻 的影響。
以下結合附圖和具體實施例說明本發明的特征和優點，其中


圖1是本發明熱電阻溫度測量電路第一實施例的電原理圖2是本發明熱電阻溫度測量電路的引線電壓降放大器一個實施例的電原
理圖3是本發明熱電阻溫度測量電路第二實施例的電原理圖； 圖4是本發明熱電阻溫度測量電路第三實施例的電原理圖； 圖5是本發明熱電阻溫度測量電路第四實施例的電原理圖。
具體實施例方式
圖1為本發明熱電阻溫度測量電路第一實施例的電原理圖。請參閱圖1， 該測量電路可包括用于提供基準電壓Vr的基準電壓源1、用于測量溫度的三線 制熱電阻RTD、增益為G的引線電壓降放大華2、基本運算放大器0P1、量程 設定電阻R,、 R2、補償電阻R4、 R7、熱電阻激勵電壓設定電阻R5、 R6、以及 輸出靈敏度設定電阻R3。測量電路的輸出電壓Vt經過A/D轉換器3的A/D變 換，再輸入計算單元4算出溫度值。
RW1， RW2，和Rw3代表用于連接^制熱電阻和測量電路的第一、第二、 第三導線的電阻，由于它們是由相同材料，同等長度的電線組成的，因此，它 們的阻值認為是相同的，即R-W1=RW2=RW3。實際上，在本電路中只要Rw^Rw3 即可。
基本運算放大器0P1具有一反相端a、 一同相端b和一輸出端，輸出端的 輸出電壓Vt為測量電路的輸出電壓。基本運算放大器OPl的輸入偏置電流極小，可以忽略不計。
引線電壓降放大器2具有一輸入端w和一輸出端c，其增益G必須大于2， 通常取G〉10，其輸入偏置電流極小，可以忽略不計。圖2示出引線電壓降放 大器2的一個實施例的電原理圖，引線電壓降放大器2包括一運算放大器OP2 以及電阻Rs、 R9，運算放大器OP2的同相端作為輸入端w與三線制熱電阻的 負端子連接，電阻Rs連接在運算放大器OP2的輸出端與反相端之間，電阻& 一端與運算放大器OP2的反相端連接，另一端接地。其增益為
三線制熱電阻RTD的電阻值為Rt，其阻值與待測溫度之間為已知的單調 函數關系。三線制熱電阻RTD包括一正端子d、 一負端子e和一公共端子f， 正端子d通過第一導線RW1與基本運算放大器OP1的反相端a連接，負端子e 通過第二導線Rw2與引線電壓降放大器2的輸入端w連接，公共端子f通過第
三導線RW3接地。
量程設定電阻&、 R2用于設定測量電路的量程。電阻R,的選擇使三線制 熱屯阻RTD的阻值Rt最大時，測量電路輸出電壓Vt仍然在A/D轉換器3的 輸入電壓范圍之內；如果三線制熱電阻RTD的阻值Rt的最大值合適，電阻J^ 也可以省略。這時在以下的論述及公式中令電阻R,為無窮大，或1/R產0即可。 電阻R2的選擇使三線制熱電阻RTD的阻值Rt最小時，輸出電壓Vt仍然在A/D 轉換器3的輸入電壓范圍之內。如果三線制熱電阻RTD的阻值Rt的最小值合 適，電阻R2也可以省略。這時在以下的論述及公式中令RfO即可。
熱電阻激勵電壓設定電阻R5、 R6設定熱電阻RTD的激勵電壓，電阻R5 一端與基準電壓源l連接，另一端與基本運算放大器0P1的同相端b連接；電 阻R6—端與基本運算放大器OPl的同相端b連接，另一端接地。
輸出靈敏度設定電阻R3跨接在—基本運算^(大器OP1的輸出端與反相端之間。
補償電阻R4、 R7對龜路進-行補償，使輸出電壓Vt與熱電阻RTD的阻值 Rt存在確定的單調函數關系，而不受導線電祖的影響。電阻R4—端與基本運 算放大器OP1的反相端a連接，另一端與引線電壓降放大器2的輸出端c連接； 電阻R7—端與基本^"算放大器OP1的同相端b連接，另一端與引線電壓降放 大器2的輸出端c連接。
補償電阻R4、 R7根據完全補償的條件進行選擇。對全量程范風內的所有
熱電阻RTD的阻值Rt，以及第一、第二、第三導線的任意連接線長度，如果
Rwl=Rw3，完全補償的條件是
<formula>formula see original document page 8</formula>以下通過電路分析和計算說明如何得到這一結果。
補償電阻R4、 R7的選擇的基本構思如下
對于測量范圍內的任何阻值Rt，由于Rw「Rw3，且流過導線Rw,和導線 Rw3的電流認為是相等的(流過導線Rw2的電流可以忽略)，導線R^和導線 R^上的電壓降Vw認為總是相同的。即當連接電纜種類或長度改變時，它們 同時變化。通過引線電壓降放大器2的增益G以及補償電阻R7的選擇，可使b 點的電壓Vb相比RW1=RW3=0時b點的電壓Vb()也增加2Vw。由于運放OP1有 反相端電壓Va等于同相端電壓Vb的基本特征，熱電阻RTD上的電壓降會保 持不變，流過熱電阻RTD的電流不隨阻值Rwt、 Rw3的變化而變化。這樣能保 持基本運放0P1對熱電阻RTD的阻值Rt的靈敏度不隨阻值Rw,、 RW3的變化 而變化。但是由于電壓Vb的變化，以及電壓Va的變化，如果沒有其它措施， 運放0P1的輸出仍然會變化。另一只補償電阻R4的選擇正好使這種影響完全 能消除。該電路中合理選擇二只補償電阻R4和R7，輸出電壓Vt與熱電阻RTD
的阻值Rt存在確定的單調的函數關系，而且與Rwp RW2，和Rw3無關。 通過電路分析可以得到
引線電壓降放大器2的輸出端c的電壓^=(7*^
則考慮b點的電流平衡
假設及 1
<formula>formula see original document page 8</formula>設^。=^1^，它是Rw產Rw^0時b點的電壓。
凡
欲使r一K。+2L，可使,^ = 2，則<formula>formula see original document page 9</formula>因為R7必須大于0，則推知G"。
則^=^。+2^，因為運放的基本特點有Va=Vb，電阻R2和Rt上的電壓 降之和會保持不變，流過電阻Rt和R2的電流將不隨RW1和RW3的阻值變化而 變化。
再考慮a點的電流平衡<formula>formula see original document page 9</formula>可以看到，A， B， R2， Vt都與Rw 、 RW2和Rw3無關。在沐 Vt進行A/D變換，得到Vt，由計算單元4的軟件用公式
'F,-爿
算出熱龜阻RTD的阻值Rt，再根據t與Rt的已知函數關系，求出溫度t。 如果A/D變換器3的參考電壓Ref與基準電壓Vr相同或與它成一定的比 例(同源)，則該電路對基準電壓Vr的變化也不敏感，因此可以進一步保證
咼精-度o
從Vt的計算公式也可以看出，量程設定電阻&和Rt的作用，當熱電阻
RTD的阻值Rt—較大時，可取較大的RJ直，使Vt不至于太小，仍然在A/D轉 換器3的輸入電壓范圍之內；當熱電阻RTD的阻值Rt較小時，可取較大的R2 值使Vt不至于太大，仍然—在A/D轉換器3的輸入電壓范圍之內。
如前所述，如果三線制熱電阻RTD的阻值Rt的最小值合適，則通常電阻 R2可以省略，同樣，如果Rt的最大值合適，電阻Ri也可以省略。
在圖3所示的測量電路的第二實施例中，與圖l所示第一實施例的不同之 處是省略量程設定電阻R2 (R2=0)，上述補償電阻R4、 R7的選擇不變。
在圖4所示的測量電路的第三實施例中，與圖l所示第一實施例的不同之 處是省略量程設定電阻Ri (1/Rf0);在圖5所示的測量電路的第四實施例中， 與圖1所示第一實施例的不同之處是省略量程設定電阻R"R2(1/R「0，R產0);
在這兩個實施例中，上述補償電阻R4、 R7的選擇相應改為
i 4=(| —l)i 3
K尋-1)T^X《
z— + —
而F, = /( + A
A,
相應地，同樣采用軟件計算求出阻值Rt和溫度t。
在本發明第一和第三實施例中，電阻R2存在的情況下，如果將電阻R2看
為熱電阻RTD的一部分，則激勵電壓是恒定不變的
K,=r。-2^ = ^-2^=^。=~^'其中V2t是電阻R2和Rt上的電壓降之和。
在本發明第二和第四實施例中，電阻R2省略的情況下，Vh即為Rt上的電 壓降。
無論如何，本電路本質上是一種恒壓源激勵電路。由于不是恒流源激勵， 雖然輸出電壓Vt與阻值-"Rt不是線性關系，但是電壓Vt經過A/D變^很容 易用軟件算得精確的阻-值Rt，以及精確的溫度t。與恒流源激勵法比較，該電 路結構簡單，還有量程范圍大的優點。當配以較高精度的A/D時，并利用量程 設定電阻R,和R2的調節作用，能很好的用本測量電路測量各類型號熱電阻， 例如PTIOO、 PT1000鄰NTC22 (或NTC30)，在沒有任何內部跳線的情況下， 可以用同一個電路測量PT10t)， PTIOOO， NTC30等不同類型的熱電盟，g量程
范圍之大是用一般的單恒^l源法或雙恒流源法無法相比的。只要在測量范圍內 各類熱電阻的熱電阻值互不重疊，計算單元4中的軟件即可以自動識別熱電阻
類型，并測出精確的溫度值。通常NTC22和NTC30不會同時采用，因為它們 的熱電阻值大部分是重疊的。
有些RTD溫度傳感器如NTC30，其阻值Rt較大；又如有些PT1000溫度
傳感器，其連接導線較短；或者測量精度要求不太高時，可以認為導線電阻相 對阻值Rt較小，則傳感器和連接電纜只接成二線制，不再接成三線制，即由 Rw代表的導線不存在。這時只要將引線電壓降放大電路的輸入端的接線端子w 接地(gnd)，雖然此時電路不能對引線電阻Rw， Rw3進行補償(但此時不重要)， 該電路仍然能很好地工作。因此該電路尤其適合三線制熱電阻RTD溫度傳感 器，同時也能適應二線制溫度傳感器的情況。
以上的實施例說明僅為本發明的較佳實施例說明，本領域技術人員可依據 本發明的上述實施例說明而作出其它種種等效的替換及修改。然而這些依據本 發明實施例所作的種種等效替換及修改，屬于本發明的發明精神及由權利要求 所界定的專利范圍內。
權利要求
1.一種熱電阻溫度測量電路，其特征在于，包括用于提供基準電壓的基準電壓源、用于測量溫度的三線制熱電阻、增益為G的引線電壓降放大器、基本運算放大器、補償電阻R4、R7、熱電阻激勵電壓設定電阻R5、R6、以及輸出靈敏度設定電阻R3；所述三線制熱電阻包括一正端子、一負端子和一公共端子，正端子通過一第一導線與基本運算放大器的反相端連接，負端子通過一第二導線與引線電壓降放大器的輸入端連接，公共端子通過一第三導線接地；所述補償電阻R4一端與基本運算放大器的反相端連接，另一端與引線電壓降放大器的輸出端連接，補償電阻R7一端與基本運算放大器的同相端連接，另一端與引線電壓降放大器的輸出端連接；所述熱電阻激勵電壓設定電阻R5一端與基準電壓源連接，另一端與基本運算放大器的同相端連接，熱電阻激勵電壓設定電阻R6一端與基本運算放大器的同相端連接，另一端接地；所述輸出靈敏度設定電阻R3跨接在基本運算放大器的輸出端與反相端之間。
2. 如權利要求1所述的熱電阻溫度測量電路，其特征在于，所述引線電 壓降放大器的增益G大于2。
3. 如權利要求1所述的熱電阻溫度測量電路，其特征在于，所述引線電 壓降放大器包括一運算放大器以及電阻Rs、 R9，運算放大器的同相端作為輸入端與三線制熱電阻的負^f連接，電阻R8連接在基本運算放大器的輸出端與反 相端之間，電阻R9—端與基本運算放大器的反相端連接，另一端接地。
4. 如權利要求1所述的熱電阻溫度測量電路，其特征在于，還包括量程 設定電阻Rp電阻Ri—端與所述基準電壓源連接，另一端與基本運算放大器 的反相端連接。
5. 如權利要求1或4所述的熱電阻溫度測量電路，其特征在于，還包括量程設定龜阻R2，電阻R2—端與基本運算放大器的反相端連接，另一端通過所述第一導線與三線制熱電阻的正端子連接。
6.如權利要求1所述的熱電阻溫度測量電路，其特征在于，所述第一、 第二和第三導線使用相同材料并具有相同長度。
7.如權利要求1所述的熱電阻溫度測量電路，其特征在于，所述補償電阻R4、 R7的阻值設定為 i 4=(2 — l)i 3
8.如權利要求4所述的熱電阻溫度測量電路，其特征在于，所述補償電阻R4、 R7的阻值設定為 n,G ,、 全文摘要
本發明公開一種熱電阻溫度測量電路，包括基準電壓源、三線制熱電阻、引線電壓降放大器、基本運算放大器、補償電阻R₄、R₇、熱電阻激勵電壓設定電阻R₅、R₆、以及輸出靈敏度設定電阻R₃，量程設定電阻R₁，R₂。通過合理選擇補償電阻R₄、R₇的阻值，在連接電纜電阻相等時，該電路輸出電壓Vt與Rt有確定的單調的函數關系，與連接電纜線的導線電阻無關。Vt經過A/D變換，由軟件算出熱電阻的阻值Rt，再根據Rt與溫度t之間的已知函數關系算出溫度值，即為測量結果。因此，對全量程范圍內的任何Rt阻值，以及各種電纜長度的條件下，都能完全補償電纜線的影響。該電路結構簡單，還具有量程范圍大的優點。當配以較高精度的A/D時，在沒有跳線的情況下，可以用同一個電路測量PT100，PT1000，NTC30等不同類型的熱電阻。
文檔編號G01K7/18GK101109662SQ200610028999
公開日2008年1月23日 申請日期2006年7月17日 優先權日2006年7月17日
發明者王長林 申請人:梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司