CN101169341A - 一种温度测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度测量电路，包括温度传感器电路、恒流源和第一运算放大器，温度传感器电路为四线制，包括从温度传感器的第一端引出的动力线正极、从温度传感器的第二端引出的动力线负极和分别从温度传感器的第一、二端引出的传感引线正极和传感引线负极，恒流源连接温度传感器电路的动力线正极，第一运算放大器的正、负输入端分别连接温度传感器电路的传感引线正极和传感引线负极，输出端输出电压－温度曲线，温度传感器电路的动力线负极耦合到地。本发明采用四线制，使第一运算放大器的正、负输入端分别连接温度传感器电路的传感引线正极和传感引线负极，利用运放“虚断”原理，消除了温度传感器电路中的线电阻对输出结果的影响。

Description

一种温度测量电路

【技术领域】

本发明涉及一种温度测量电路，尤其涉及通过温度传感器将温度信号转换为电信号、再对电信号进行A/D采样、处理的温度测量电路。

【背景技术】

在现代的很多产品中，都需要对温度进行准确的测量。目前的温度采集方式有两线制、三线制，单通道以及多通道温度测量方式。其中，三线制多通道温度为比较新的温度采集技术方案，专利号为03263202.9、发明名称为《一种热电阻温度测量电路》的中国专利公开了这种技术，其原理示意图如图1所示。该方案采用单恒流源工作，U1为电压跟随器，U2为2倍放大器，利用运放“虚断”原理，流经传感器引线电阻r2的电流视为零，所以r2上端电压为零。

对于U1：V_U1O＝(R_PT+r1+r3+R₀)×I  -----------------------(1)

对于U2：V_U2O＝2×(r3+R₀)×I      -----------------------(2)

其中：R_PT＝R₀(1+A×t+B×t²)，A和B为系数。通常B很小，可以忽略不计。所以：R_PT＝R₀×(1+A×t)，A为电阻的系数，R₀为铂电阻的0℃电阻值。该方案要求铂电阻的两端的三根引线要求其长度和材料都相同，以确保导线电阻r1＝r2＝r3。

则对于U3：U_U3O＝R₀×A×t×I      -----------------------(3)

实现了电压随温度的变化而线性变化，利用A/D对电压进行数据采样，就可以利用公式计算出温度，实现对温度的测量。

同时，通过在两个运放的输入端以及恒流源与传感器的连线上增加模拟开关，就可以实现多通道温度测量。

但该温度测量方案存在下面几点不足：

1.传感器的两端引线要求材料和长度都一样，从非电路设计的角度消除线阻的影响，但在某些时候无法满足材料和长度一样，因此也就不能消除线阻的影响。

2.虽然能够进行通道切换，但测试的对象比较单一，只能是同一种传感器，不适合多种传感器测量要求。

3.在进行多通道温度测量的时候，需要对模拟开关进行切换，其理想情况认为没有被切换的通道为悬空，电流为零，然而实际上会有漏电流的存在，该漏电流流经R0后，会直接影响U2输入端的信号大小偶发性的跳变，最终将导致在通道切换的过程中，同一通道的不同次测量数据将发生跳变。

【发明内容】

本发明的主要目的就是为了解决现有技术的问题，提供一种温度测量电路，通过电路本身的设计，消除线电阻的影响。

本发明的次一目的就是提供一种温度测量电路，可适用于多通道、多种温度传感器的测量。

本发明的又一目的就是提供一种温度测量电路，消除多通道温度测量时，悬空通道的漏电流对测量结果的影响。

为实现上述目的，本发明提出一种温度测量电路，包括温度传感器电路、恒流源和第一运算放大器，所述温度传感器电路为四线制，包括从温度传感器的第一端引出的动力线正极、从温度传感器的第二端引出的动力线负极和分别从温度传感器的第一、二端引出的传感引线正极和传感引线负极，所述恒流源连接温度传感器电路的动力线正极，所述第一运算放大器的正、负输入端分别连接温度传感器电路的传感引线正极和传感引线负极，输出端输出电压-温度曲线，所述温度传感器电路的动力线负极耦合到地。

所述第一运算放大器为差动输入。

所述温度传感器电路至少包括两路，所述温度测量电路还包括通道切换装置，所述通道切换装置连接在温度传感器电路和恒流源、第一运算放大器之间，用于使恒流源和第一运算放大器在各温度传感器电路之间切换。

所述通道切换装置优选为模拟开关组。

所述至少两路温度传感器电路中的其中一路为热电阻传感器电路，另一路为热敏电阻传感器电路。

其中，所述热敏电阻传感器电路中的热敏电阻为负温度系数热敏电阻，所述热敏电阻传感器电路还包括用于将负温度系数热敏电阻传感器的温度-电阻曲线进行线性处理的线性化电路和用于将负温度系数热敏电阻传感器的电气特性和热电阻传感器的电气特性进行归一处理的归一化电路。

其中，所述线性化电路包括两个串联的第一电阻和第二电阻，所述线性化电路与负温度系数热敏电阻传感器并联；所述归一化电路包括第三电阻，所述归一化电路连接在负温度系数热敏电阻传感器和温度传感器电路的动力线负极之间。

本发明的进一步改进是：还包括第二运算放大器、输入电路和第三运算放大器；所述输入电路包括串联的第四电阻和第二共模电阻，所述第四电阻的另一端连接恒流源，所述第二共模电阻的另一端接地，所述第二运算放大器的两个输入端分别连接在第四电阻的两端；所述第三运算放大器的正输入端连接第一运算放大器的输出，负输入端连接第二运算放大器的输出，输出端输出电压-温度曲线。

本发明的更进一步改进是：所述第四电阻的阻值等于热电阻传感器的0℃的电阻值，所述温度测量电路还包括第一共模电阻，所述第一共模电阻连接在温度传感器电路的动力线负极和地之间，所述第一共模电阻的阻值等于第二共模电阻的阻值。

本发明的更进一步改进是：所述第一运算放大器和第二运算放大器的增益相同。

本发明的有益效果：

1、本发明采用四线制，使第一运算放大器的正、负输入端分别连接温度传感器电路的传感引线正极和传感引线负极，利用运放“虚断”原理，传感器传感引线上的电流视为零，所以传感引线上的线电阻两端的电压为零，第一运算放大器的正、负输入端的电压只和温度传感器的阻抗和动力线负极的线电阻有关，而第一运算放大器的输出只和温度传感器的阻抗有关，从而消除了温度传感器电路中的线电阻对输出结果的影响。

2、本发明通过对负温度系数热敏电阻传感器的温度-电阻曲线进行线性处理和归一化处理，使负温度系数热敏电阻传感器和热电阻传感器可共用同一电路参数，从而使同一温度测量电路能过适用于多种温度传感器。并且通过通道切换装置，可实现温度测量电路的分时复用，从而能够对不同电气特性的传感器同时进行温度测量。

3、将0℃参考电阻和多传感器电路分别放置在不同的通道，并且使0℃参考电阻单独采用一个恒流源，有效分开了0℃参考电阻和传感通道的电流，在进行多通道测量的切换时，消除了悬空通道的漏电流对输出结果的影响。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1为现有技术中三线制多通道温度测量电路的示意图；

图2为本发明温度测量电路的结构框图；

图3为本发明一种实施例的温度测量电路示意图；

图4为本发明NTC线性化电路示意图；

图5(a)-图5(e)为NTC归一化的电阻-温度曲线图；

图6为本发明另一种实施例的温度测量电路示意图；

图7为本发明的可多通道切换的温度测量电路示意图。

【具体实施方式】

本发明最佳实施例的温度测量电路的方框图如图2所示，温度测量电路100包括温度传感器电路200、通道切换装置3、运算放大器4和恒流源7。整个温度测量系统还包括A/D采集电路5和MCU 6。

温度传感器电路200可以包括多个通道，其中的温度传感器电阻将随温度的变化而变化，通道切换装置3用于实现多传感器通道之间的切换，恒流源7的电流将流过被切换的传感器，将传感器的电阻转化为电压量用于测量，该电压值将输入到运算放大器4，实现传感器微弱电压信号的放大处理，A/D采集电路5将对放大的电压信号进行A/D采集，其采集后的数据将输入到MCU 6进行最后的数据处理。

本发明的一种实施例如图3所示，以热电阻传感器(例如铂电阻)为例进行说明，其它温度传感器类似。将所有的温度传感器将放置于被测量环境，通过导线连接到电路中，导线上存在线电阻，而铂电阻的电阻随温度的变化很小，当温度变化0.1℃，其电阻的变化为0.37Ω，其导线电阻势必会影响铂电阻测量的准确度，为了有效的消除导线上的引线电阻，温度传感器电路200采用四线制连接方式，温度传感器电路200分别有四个连线端：动力线正极ae、动力线负极fd、传感引线正极be、传感引线负极fc。恒流源I的输出电流流过ae、温度传感器PT1000、fd，最后经第一共模电阻RT1流入到地。电阻r0、电阻r1、电阻r2、电阻r3分别为各信号通道的线电阻。第一共模电阻RT1用于提高第一运算放大器U1的共模输入电压。

PT1000的电阻为：R_PT＝R₀×(1+A×t)，利用运算放大器“虚断”原理，传感器传感引线上电流将视为零，所以：

第一运算放大器U1的输入端电压为：

V_U1i+＝Rt×I+(R_PT+r3)×I  --------------------------------(4)

V_U1i-＝Rt×I+r3×I    ----------------------------------(5)

第一运算放大器U1的输出端电压为正输入端电压减去负输入端电压：

V_U1O＝R_PT×I×G1      ----------------------------------(6)

其中，I为恒流源的电流，G1为第一运算放大器U1的增益。从式(6)中可看出，第一运算放大器U1的输出结果是一个与温度有关的量，与线电阻r3无关，同时，r0、r1、r2也不会影响到测量结果，从而有效的消除了所有线电阻对测量结果的影响。

第一运算放大器优选为差动输入，以一种简单的方式消除线电阻r3的影响。同时，第一运算放大器的的差动输入方式能够有效的消除共模干扰的影响。

通过通道切换装置3可实现多通道温度传感器的切换，通道切换装置3连接在温度传感器电路200和恒流源I、第一运算放大器U1之间，在传感器动力线正极、传感引线正极、传感引线负极引入通道切换，使恒流源I和第一运算放大器U1在多个温度传感器电路之间切换。通道切换装置优选为模拟开关组。

上述温度测量电路适用于热电阻传感器，热电阻材料要求温度系数大，电阻率高，物理化学性能稳定，工艺性好，理想的材料有：铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)。而热敏电阻对温度十分敏感，在温度改变时内部电阻值会产生大幅变化，所以无法和热电阻传感器共用同一测量电路。热敏电阻有正温度系数、负温度系数和临界温度系数的热敏电阻。

在本发明的另一实施例中，为了使测量电路适用于多种温度传感器，例如既适用于热电阻传感器，又适用于负温度系数热敏电阻(NTC)传感器，在包含负温度系数热敏电阻传感器的热敏电阻传感器电路中增加线性化电路和归一化电路，分别对负温度系数热敏电阻传感器的温度-电阻曲线进行线性处理和对负温度系数热敏电阻传感器的电气特性和热电阻传感器的电气特性进行归一处理。如图4左边电路所示，线性化电路包括两个串联的第一电阻R1和第二电阻R2，串联的第一电阻R1和第二电阻R2与负温度系数热敏电阻传感器NTC并联；归一化电路包括第三电阻R3，第三电阻R3连接在负温度系数热敏电阻传感器NTC和温度传感器电路的动力线负极之间。其中负温度系数热敏电阻传感器NTC和第一电阻R1的并联节点C连接恒流源I。

负温度系数热敏电阻(NTC)传感器的温度-电阻曲线为非线性，且电气特性与热电阻差异较大，图5(a)为NTC热敏电阻的非线性化电阻-温度曲线图，利用线性化电路对NTC的温度-电阻曲线线性化处理，图5(b)为线性化后C、D两端电阻-温度曲线图，这样就可以利用线性方程计算NTC的温度。图5(e)为铂电阻的温度-电阻曲线图，可见图5(b)、(e)曲线在温度Ta和Tb之间的电阻变化范围差异较大，为了便于在运放电路部分对两种传感器共用同一电路参数，需要将R_CD的电气特性等效处理为PT1000的电气特性，即：同一温度范围内，NTC参与测量的电阻变化范围与铂电阻变化范围比较一致，实现NTC电气特性与PT1000的归一化处理。如图4所示：在负温度系数热敏电阻上串联第三电阻R3，将A、B之间的等效电阻作为测量对象引入测量通道，等效为图4右边的电路。电路中A、D和A、B两端的电阻-温度曲线分别如图5(c)、图5(d)所示。比较图5(d)、图5(e)，当温度在Ta和Tb范围时，两图的电阻变化范围是一致的，即：将R_AB等效为铂电阻PT1000，

$R_{\mathrm{AB}}=\frac{\mathrm{NTC}\×R_1}{\mathrm{NTC}+(R_1+R_0)}+R_3=>R_{A^{\′}{B}^{\′}}---\left(7\right)$

从而可使NTC热敏电阻传感器电路和热电阻传感器电路共用同一温度测量电路。

为提高后面A/D采集电路的分辨率，需要进一步增大表示温度的电信号的放大倍数，本发明的另一实施例通过增加第二运算放大器和第三运算放大器对第一运算放大器的输出结果进一步放大，同时消除了多通道切换时未被切换的通道的漏电流的影响。

如图6所示，在第二运算放大器U2的输入端设计一输入电路，输入电路包括串联的第四电阻R0和第二共模电阻RT2，第四电阻R0的另一端连接恒流源I，第二共模电阻RT2的另一端接地，第二运算放大器U2的两个输入端分别连接在第四电阻R0的两端；第四电阻R0等于温度传感器0℃时的参考电阻值，第二共模电阻RT2用于提高第二运算放大器U2的共模输入电压，第二共模电阻RT2与连接在温度传感器电路的动力线负极和地之间第一共模电阻RT1阻值相等，RT1＝RT2＝Rt，第四电阻R0接的恒流源和传感器通道接的恒流源可以是一个恒流源，电流相同，也可以是两个独立的恒流源，如果是两个独立的恒流源，要求两个恒流源的电流相等。第三运算放大器U3的正输入端连接第一运算放大器U1的输出，负输入端连接第二运算放大器U2的输出，输出端输出电压-温度曲线。

本发明多通道切换如图7所示。当模拟开关组选择PT1时，RT1上将流过的电流如下：

I_Rt1＝I+(ix`+...+in`)

其中，I为PT1上流过的恒流源电流，而ix`和in`为切换时其它传感器通道存在的漏电流，该漏电流会抬高第一共模电阻RT1的正端电势，从而抬高第一运算放大器U1的正负输入端的电势，但由于第一运算放大器U1是采用差动输入，能够有效的避免漏电流在通道切换时带来的影响。而传感器通道的漏电流不会经过第二共模电阻RT2，所以不会对第二运算放大器U2带来影响。从而，通道切换时的漏电流不会对系统的测量带来影响。

当增加第二运算放大器U2和第三运算放大器U3后，对于第二运算放大器U2，其正、负输入端的电压为：

V_U2i+＝Rt×I+R₀×I            ------------------------------(8)

V_U2i-＝Rt×I                  ------------------------------(9)

则第二运算放大器U2的输出端的电压为：

V_U2O＝(V_U2i-V_U2i-)×G2＝R₀×I×G2          ----------------(10)

G2为第二运算放大器U2的增益。

则第三运算放大器U3的输出端的电压为：

V_U3O＝(V_U1O-V_U2O)×G3＝((R_PT×I×G1)-(R₀×I×G2))×G3 -----(11)

G3为第三运算放大器U3的增益。

由于PT1000的电阻R_PT＝R₀×(1+A×t)，则：

V_U3O＝(R₀×I×(G1-G2)+R₀×A×t×I×G1)×G3    -------------(12)

为了简化公式(12)的计算，设定第一运算放大器的增益与第二运算放大器的增益相同，即：G1＝G2＝G，则：

V_U3O＝R₀×A×t×I×G×G3    -------------------------------(13)

其中，R₀为铂金电阻0℃的电阻值，t为铂金电阻的测量温度，I为恒流源的电流大小，A为铂金电阻根据温度计算电阻的常系数，G为第一运算放大器和第二运算放大器的增益。

根据公式(13)可见，R₀、A、I、G、G3均为常数，第三运算放大器U3的输出电压只随温度t的变化呈线性变化，其第三运算放大器U3的输出电压可以通过A/D采集获取。

MCU 6用于控制A/D采集电路5的数据采集，虽然在运放前端对输入信号进行了简单的硬件滤波处理，然而，在A/D的输入信号仍然会有噪声的存在，在MCU内部通过对采集的A/D数据进行数字滤波处理，以进一步消除噪声的影响。同时，通过软件算法，计算出最后的温度值，实现对温度的测量。

Claims (11)

1.一种温度测量电路，包括温度传感器电路、恒流源和第一运算放大器，其特征在于：所述温度传感器电路为四线制，包括从温度传感器的第一端引出的动力线正极、从温度传感器的第二端引出的动力线负极和分别从温度传感器的第一、二端引出的传感引线正极和传感引线负极，所述恒流源连接温度传感器电路的动力线正极，所述第一运算放大器的正、负输入端分别连接温度传感器电路的传感引线正极和传感引线负极，输出端输出电压-温度曲线，所述温度传感器电路的动力线负极耦合到地。

2.如权利要求1所述的温度测量电路，其特征在于：所述第一运算放大器为差动输入。

3.如权利要求2所述的温度测量电路，其特征在于：所述温度传感器电路至少包括两路，所述温度测量电路还包括通道切换装置，所述通道切换装置连接在温度传感器电路和恒流源、第一运算放大器之间，用于使恒流源和第一运算放大器在各温度传感器电路之间切换。

4.如权利要求3所述的温度测量电路，其特征在于：所述通道切换装置为模拟开关组。

5.如权利要求3所述的温度测量电路，其特征在于：所述至少两路温度传感器电路中的其中一路为热电阻传感器电路，另一路为热敏电阻传感器电路。

6.如权利要求5所述的温度测量电路，其特征在于：所述热敏电阻传感器电路中的热敏电阻为负温度系数热敏电阻，所述热敏电阻传感器电路还包括用于将负温度系数热敏电阻传感器的温度-电阻曲线进行线性处理的线性化电路和用于将负温度系数热敏电阻传感器的电气特性和热电阻传感器的电气特性进行归一处理的归一化电路。

7.如权利要求6所述的温度测量电路，其特征在于：所述线性化电路包括两个串联的第一电阻和第二电阻，所述线性化电路与负温度系数热敏电阻传感器并联；所述归一化电路包括第三电阻，所述归一化电路连接在负温度系数热敏电阻传感器和温度传感器电路的动力线负极之间。

8.如权利要求1至7中任一项所述的温度测量电路，其特征在于：还包括第二运算放大器、输入电路和第三运算放大器；所述输入电路包括串联的第四电阻和第二共模电阻，所述第四电阻的另一端连接恒流源，所述第二共模电阻的另一端接地，所述第二运算放大器的两个输入端分别连接在第四电阻的两端；所述第三运算放大器的正输入端连接第一运算放大器的输出，负输入端连接第二运算放大器的输出，输出端输出电压-温度曲线。

9.如权利要求8所述的温度测量电路，其特征在于：所述第四电阻的阻值等于热电阻传感器的0℃的电阻值。

10.如权利要求9所述的温度测量电路，其特征在于：所述温度测量电路还包括第一共模电阻，所述第一共模电阻连接在温度传感器电路的动力线负极和地之间，所述第一共模电阻的阻值等于第二共模电阻的阻值。

11.如权利要求8至10中任一项所述的温度测量电路，其特征在于：所述第一运算放大器和第二运算放大器的增益相同。

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