CN101806640B

CN101806640B - 一种热电阻信号的测量系统

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Publication number: CN101806640B
Application number: CN 201010153091
Authority: CN
Inventors: 王常力; 史洪源; 周有铮; 虞日跃
Original assignee: Hangzhou Hollysys Automation Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Hollysys Automation Co Ltd
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2030-04-20
Also published as: CN101806640A; WO2011131077A1

Abstract

本发明公开了一种热电阻信号的测量系统，包括：第一恒流源和第二恒流源、飞电容、模/数转换器、精密电阻、控制器、设置在所述飞电容与热电阻之间且连接所述第一恒流源和第二恒流源的充电控制单元及设置在所述模/数转换器与飞电容之间的连接控制单元。通过本发明，能够提高测量热电阻信号的准确性。

Description

一种热电阻信号的测量系统

技术领域

本发明涉及工业自动化控制技术领域，更具体地说，涉及一种热电阻信号的测量系统。

背景技术

热电阻是工业自动化领域一种常见的温度测量装置，其电阻值(即热电阻信号)随温度变化而改变。测量系统通过测量电阻值即可实现对温度的测量。

一般热电阻与测量系统之间可采用二线制、三线制或四线制三种方式进行连接。但实际应用中热电阻与测量系统之间距离较远，连接二者的导线较长，二线制连接方式会使测量精度受导线电阻的影响，而四线制连接方式会增加导线成本，因此三线制连接方式被普遍采用。采用三线制连接方式时，测量系统一般采用电桥法或单恒流源法将热电阻信号转换为电压信号，然后通过A/D转换器(模/数转换器)将电压信号转换为数字信号送往控制器。

图1和图2图示的热电阻信号测量系统在现有技术中普遍应用。其中，图1为采用电桥法测量热电阻信号的系统电路原理图。热电阻Rt通过三条导线连接到测量系统。测量系统内的精密电阻R1、R2和R3与热电阻组成惠斯通电桥。基准电压源为电桥提供恒定的电压激励。当热电阻信号变化时，电桥的输出电压(即A/D转换器的输入电压)发生改变，经过A/D转换器将电压信号转换为数字信号送往控制器，从而实现对热电阻信号的测量。

图2为采用单恒流源法测量热电阻信号的系统电路原理图。热电阻Rt通过三条导线连接到测量系统。恒流源提供恒定大小的电流流经热电阻Rt产生与热电阻阻值大小成正比的电压信号，该电压信号经过A/D转换器转换为数字信号送往控制器，实现对热电阻信号的测量。

然而，通过发明人的研究发现，现有的两种热电阻信号测量方法至少存在以下缺陷：

(1)电桥法的缺点：

电桥的输出电压与热电阻信号之间不是线性关系，因此测量存在非线性误差；

当热电阻两端存在共模干扰电压时，电桥的输出电压将包含共模干扰电压的成分，使测量精度降低，因此该测量方法的抗共模干扰能力差。

(2)单恒流源法的缺点：

为了不使系统的测量精度受导线电阻的影响，需要专门的消线阻电路，增加了系统的成本；

系统的测量精度取决于恒流源的精度，因此对恒流源的性能要求较高。

可见，现有技术中的热电阻信号测量方法普遍存在测量精度低，准确性较差的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种热电阻信号的测量系统，以便提高测量热电阻信号的准确性。

本发明实施例提供一种热电阻信号的测量系统，所述系统包括：第一恒流源和第二恒流源、飞电容、模/数转换器、精密电阻、控制器、设置在所述飞电容与热电阻之间且连接所述第一恒流源和第二恒流源的充电控制单元及设置在所述模/数转换器与飞电容之间的连接控制单元；

所述热电阻通过三线制方式进行引线连接，所述引线包括第一引线、第二引线和第三引线，其中，所述第三引线接地；所述热电阻通过所述第一引线、第二引线、经过所述充电控制单元分别连接所述飞电容的第一极板和第二极板；

所述充电控制单元用于在第一充电周期对所述飞电容进行第一次充电，在第二次充电周期对所述飞电容进行第二次充电；

所述连接控制单元用于分别在所述第一次充电和第二次充电结束之后，连接所述模/数转换器与所述飞电容的第一极板和第二极板，使所述模/数转换器将所述飞电容两极板间存储的电压信号转换为第一数字信号和第二数字信号；

所述精密电阻的第一端接地，第二端连接所述模/数转换器，且所述精密电阻的第二端通过所述充电控制单元连接所述第一恒流源和第二恒流源，则所述充电控制单元还用于，控制所述第一恒流源和第二恒流源输出的电流合并流经所述精密电阻，为所述模/数转换器提供参考电压；

所述控制器用于根据所述第一数字信号和第二数字信号获得热电阻信号的最终测量结果。

优选的，所述充电控制单元包括：

设置于所述第一恒流源和飞电容第一极板之间的第一开关、设置于所述第二恒流源和飞电容第二极板之间的第二开关；当所述第一开关和第二开关闭合时，所述第一恒流源和第二恒流源对所述飞电容进行第一次充电；

设置于所述第一恒流源和飞电容第二极板之间的第三开关、设置于所述第二恒流源和飞电容第一极板之间的第四开关；当所述第三开关和第四开关闭合时，所述第一恒流源和第二恒流源对所述飞电容进行第二次充电；

以及，设置于所述第一恒流源和第二恒流源之间、连接所述第一恒流源的第五开关和连接所述第二恒流源的第六开关；当所述第五开关和第六开关闭合时，所述第一恒流源和第二恒流源输出的电流合并流经所述精密电阻，为所述模/数转换器提供参考电压。

优选的，所述系统还包括：

设置于所述第一引线上与所述第一开关连接的第七开关；设置于所述第二引线上与所述第二开关连接的第八开关；以及，设置于所述第三引线上连接接地端的第九开关。

优选的，所述系统还包括：

连接所述第一开关和所述飞电容的第一极板、且连接所述第四开关和所述飞电容的第一极板的第十开关，以及，连接所述第二开关和所述飞电容的第二极板、且连接所述第三开关和所述飞电容的第二极板的第十一开关。

优选的，所述连接控制单元包括：设置于所述飞电容的第一极板与所述模/数转换器之间的第十二开关，以及，设置于所述飞电容的第二极板与所述模/数转换器之间的第十三开关。

优选的，所述系统还包括：

单位增益放大器，所述单位增益放大器的正向输入端连接所述第十二开关，所述单位增益放大器的负向输入端连接输出端，所述输出端连接所述模/数转换器。

优选的，所述单位增益放大器为运算放大器，用于使所述模/数转换器在对所述飞电容存储的电压信号进行转换的时间内，所述飞电容上的泄漏电流维持在测量精度要求的范围内。

优选的，所述第一恒流源和第二恒流源的电流值相等。

优选的，所述开关为模拟开关。

同现有技术相比，本发明提供的技术方案通过第一恒流源和第二恒流源对飞电容进行两次充电，使得最终的测量结果与导线电阻无关，能够消除导线电阻对测量结果的影响；并且，测量结果与热电阻信号成正比，因此本发明的测量方法无非线性误差；

其次，通过精密电阻提供模/数转换器的参考电压，能够消除恒流源精度对测量结果的影响；

此外，当热电阻两端存在共模干扰时，热电阻两端叠加有大小和方向均相同的干扰电压，而通过第一恒流源和第二恒流源对飞电容进行两次充电过程中，热电阻的两端分别与飞电容的两端连接，因此干扰电压信号不会存储在飞电容Cf上，由此，本发明提供的热电阻信号的测量系统抗共模干扰能力很强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中采用电桥法测量热电阻信号的系统电路原理图；

图2为现有技术中采用单恒流源法测量热电阻信号的系统电路原理图；

图3为本发明实施例提供的一种热电阻信号的测量系统结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种实现单通道热电阻信号测量的系统电路原理图；

图5为本发明实施例提供的一种实现多通道热电阻信号测量的系统电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

为了避免现有热电阻信号测量方法中普遍存在的测量精度低，准确性较差的问题，本发明实施例提供一种无非线性误差、测量精度不受导线电阻和恒流源精度影响、抗共模干扰能力强的新型的测量热电阻信号的系统。

下面首先对本发明提供的热电阻信号的测量系统进行说明，参照图3所示，所述系统包括：第一恒流源I1和第二恒流源I2、飞电容Cf、模/数(A/D)转换器、精密电阻Rref、控制器33、设置在所述飞电容与热电阻之间且连接所述第一恒流源I1和第二恒流源I2的充电控制单元30及设置在所述模/数转换器与飞电容Cf之间的连接控制单元31；

热电阻Rt通过三线制方式进行引线连接，所述引线包括第一引线、第二引线和第三引线，其中，所述第三引线接地(如C点所示)；所述热电阻Rt通过所述第一引线、第二引线、经过所述充电控制单元30分别连接所述飞电容Cf的第一极板和第二极板；

所述充电控制单元30用于在第一充电周期对所述飞电容Cf进行第一次充电，在第二次充电周期对所述飞电容Cf进行第二次充电；

所述连接控制单元31用于分别在所述第一次充电和第二次充电结束之后，连接所述模/数转换器与所述飞电容Cf的第一极板和第二极板，使模/数转换器将所述飞电容Cf两极板间存储的电压信号转换为第一数字信号和第二数字信号；

所述精密电阻Rref的第一端接地，第二端连接所述模/数转换器，且所述精密电阻Rref的第二端通过所述充电控制单元30连接所述第一恒流源I1和第二恒流源I2，则所述充电控制单元30还用于，控制所述第一恒流源I1和第二恒流源I2输出的电流合并流经所述精密电阻Rref，为所述模/数转换器提供参考电压；

所述控制器33用于根据所述第一数字信号和第二数字信号获得热电阻Rt信号的最终测量结果。

本发明提供的技术方案通过第一恒流源和第二恒流源对飞电容进行两次充电，使得最终的测量结果与导线电阻无关，能够消除导线电阻对测量结果的影响；并且，测量结果与热电阻信号成正比，因此本发明的测量方法无非线性误差；

本发明实施例在具体实现时，所述充电控制单元可以采用以下实施方式：包括设置于所述第一恒流源I1和飞电容Cf第一极板之间的第一开关S1、设置于所述第二恒流源I2和飞电容Cf第二极板之间的第二开关S2；当所述第一开关S1和第二开关S2闭合时，所述第一恒流源I1和第二恒流源I2对所述飞电容Cf进行第一次充电；

设置于所述第一恒流源I1和飞电容Cf第二极板之间的第三开关S3、设置于所述第二恒流源I2和飞电容Cf第一极板之间的第四开关S4；当所述第三开关S3和第四开关S4闭合时，所述第一恒流源I1和第二恒流源I2对所述飞电容Cf进行第二次充电；

以及，设置于所述第一恒流源I1和第二恒流源I2之间、连接所述第一恒流源的的第五开关S5和连接所述第二恒流源的第六开关S6；当所述第五开关S5和第六开关S6闭合时，所述第一恒流源I1和第二恒流源I2输出的电流合并流经所述精密电阻Rref，为所述模/数转换器提供参考电压。

为了便于实现热电阻Rt与该测量系统的连接和断开，本领域技术人员可以在图3所示的测量系统在增加如下设置：例如：设置于所述第一引线上与所述第一开关连接的开关K11；设置于所述第二引线上与所述第二开关连接的开关K21；以及，设置于所述第三引线上连接地端的开关K31。通过控制开关K11、K21及K31的导通和断开，实现热电阻Rt与该测量系统的连接和断开。

同理，为了便于实现飞电容Cf与充电控制单元的连接，在本发明的其他优选实施例中，飞电容Cf与充电控制单元之间可以采用以下连接方式：通过连接所述第一开关和所述飞电容的第一极板、且连接所述第四开关和所述飞电容的第一极板的第十开关S10，以及，连接所述第二开关和所述飞电容的第二极板、且连接所述第三开关和所述飞电容的第二极板的第十一开关S11。当所述第一恒流源I1和第二恒流源I2通过所述热电阻Rt对飞电容Cf进行充电时，开关S10和S11均为闭合状态。

需要说明的是，所述连接控制单元也可以采用开关的实现方式，具体包括：设置于所述飞电容的第一极板与所述模/数转换器之间的开关S12，以及，设置于所述飞电容的第二极板与所述模/数转换器之间的开关S13。

通常，在模/数转换器对飞电容Cf上产生的电压信号进行模数转换的过程中，飞电容Cf会通过模/数转换器产生泄漏电流，为了测量精度的需要，泄漏电流需要满足一定的数值限制。通过在飞电容Cf和模/数转换器之间设置单位增益放大器，并使其输入的偏置电流保持在一定范围之内，从而使飞电容Cf上存储的电荷在模数转换的时间内产生的泄漏电流维持在测量精度允许的范围内。所述单位增益放大器的正向输入端连接开关S12，所述单位增益放大器的负向输入端连接输出端，所述输出端连接所述模/数转换器。优选的，所述单位增益放大器可以为运算放大器。

此外，为了实现电压、电流等模拟信号的传输，上述所有的开关均为模拟开关。

为了便于对本发明进一步的理解，下面结合本发明的具体实施方式对本发明进行详细描述。

图4为本发明实现单通道热电阻信号测量的系统电路原理图，与热电阻Rt连接的三条导线电阻值相同，均为RL，为了清楚表示，图中以电阻RL代表导线的电阻。

测量系统由以下各部分组成：用于切换热电阻Rt通道的模拟开关K11、K21及K31，电流值大小相同的恒流源I1与I2、用于切换恒流源的模拟开关S1～S5、飞电容Cf、用于连接飞电容与电流源的模拟开关S9和S10、单位增益放大器U1、A/D转换器、用于连接飞电容与单位增益放大器的模拟开关S11、用于连接飞电容与A/D转换器的模拟开关S12和用于提供A/D转换器参考电压的精密电阻Rref。

采用上述系统测量热电阻信号时，测量方法描述如下：

当系统处于初始状态时，所有模拟开关均处于断开状态；

闭合切换热电阻通道的模拟开关K11、K21及K31，使热电阻Rt的三条导线分别与测量系统的E点、S点和C点连接，使得Rt与测量系统连接。同时，闭合开关S1和S2，使恒流源I1与E点连接，恒流源I2与S点连接；闭合开关S9和S10，使飞电容Cf上极板与E点连接，下极板与S点连接。此时恒流源I1和I2开始通过热电阻Rt对飞电容Cf进行第一次充电；

第一次充电完成后，飞电容Cf上存储的电压为Vf1。断开开关K11、K21、K31、S1、S2、S10和S11；闭合开关S12和S13，使飞电容Cf通过单位增益放大器U1与A/D转换器连接；同时闭合开关S5和S6，使恒流源I1与I2合并流经精密电阻Rref，为A/D转换器提供参考电压。A/D转换器对存储在飞电容Cf上的电压信号Vf1进行模数转换，并将获得的第一次数字信号输出给控制器；

模数转换完成后，闭合开关K11、K21和K31，使Rt1再次与测量系统连接。同时，与第一次充电过程不同的是，闭合开关S3和S4，使恒流源I1与S点连接，恒流源I2与E点连接；闭合开关S10和S11，使飞电容Cf上极板与E点连接，下极板与S点连接。恒流源I1和I2再次开始通过热电阻Rt对飞电容Cf进行第二次充电；

第二次充电完成后，飞电容Cf上存储的电压为Vf2。断开开关K11、K21、K31、S3、S4、S10和S11。闭合开关S12和S13，使飞电容Cf通过单位增益放大器U1与A/D转换器连接；同时闭合开关S5和S6，使恒流源I1与I2合并流经精密电阻Rref，为A/D转换器提供参考电压。A/D转换器对存储在飞电容Cf上的电压信号Vf2进行模数转换，并将获得的第二次数字信号输出给控制器；

控制器将两次模数转换转换得到的数字信号进行相应处理，对两次数字信号结果求平均值，该平均值即为该通道热电阻信号的最终测量结果。

上述实施例是采用本发明提供的测量系统对单通道中的热电阻Rt的信号进行测量，当然，本发明技术方案同样适用于n通道中热电阻的信号测量。同样，多通道中的热电阻Rt1～Rtn通过三线制方式连接到测量系统，具体如图5所示。

为实现对其他通道的热电阻信号的测量，重复上述单通道中的测量步骤。

在上述测量系统中，根据测量精度的要求，通过选择合适的运算放大器作为单位增益放大器U1，使其输入偏置电流保持在一定范围之内，可以使飞电容Cf上存储的电荷在模数转换的时间内产生的泄漏电流维持在测量精度允许的范围内。

采用上述测量步骤，可以实现测量结果无非线性误差，并使测量精度不受导线电阻和恒流源精度影响，分析如下：

设所有导线电阻相等，均为RL；两个恒流源的电流值在理想情况下大小相等，且等于设计值，但受实际精度限制，两个恒流源的电流实际值可能不会完全相等，并与设计值存在偏差，分别设为I1和I2。则容易得出，第一次充电完成之后，飞电容Cf上存储的电压Vf1为：

Vf₁＝I₁(R_L+R_t)-I₂R_L (1)

同理，第二次充电完成之后，飞电容Cf上存储的电压Vf2为：

Vf₂＝I₂(R_L+R_t)-I₁E_L (2)

则飞电容Cf上两次存储的电压值的平均值可表示为：

Vf = \frac{1}{2} ({Vf}_{1} + {Vf}_{2}) = \frac{1}{2} (I_{1} + I_{2}) R_{t} - - - (3)

可见，该电压值与导线电阻无关，即消除了导线电阻对测量结果的影响；并且该电压与热电阻信号成正比，因此本发明的测量方法无非线性误差。

飞电容Cf上的电压值经过A/D转换器转换为数字信号送往控制器，因此控制器获得的最终测量结果的数字信号可表示为：

Code = 2^{i} \frac{Vf}{V_{ref}} = 2^{i} \frac{(I_{1} + I_{2}) R_{t}}{2 V_{ref}} - - - (4)

其中，i为A/D转换器的位数，Vref为A/D转换器的参考电压。如前所述，实际应用中I₁和I2会与设计值存在偏差，如果A/D转换器采用一个固定的基准电压作为参考电压Vref，则I1和I2的偏差会直接影响最终测量结果的精度。为消除偏差对最终测量结果的影响，在两次A/D转换过程中，A/D转换器采用将I1和I2合并流经精密电阻Rref产生的电压作为参考电压Vref，此时(4)式可表示为

Code = 2^{i} \frac{(I_{1} + I_{2}) R_{t}}{{2 V}_{ref}} = 2^{i} \frac{(I_{1} + I_{2}) R_{t}}{2 (I_{1} + I_{2}) R_{ref}} = 2^{i} \frac{R_{t}}{{2 R}_{ref}} - - - (5)

可见最终测量结果与I1和I2的实际大小无关，因此消除了恒流源精度对测量结果的影响。

当热电阻两端存在共模干扰时，热电阻两端叠加有大小和方向均相同的干扰电压。根据上述本发明的测量过程，在对Cf进行第一次和第二次的充电过程中，热电阻Rt的两端分别与飞电容Cf的两端连接，因此干扰电压信号不会存储在飞电容Cf上。因此，本发明抗共模干扰能力很强。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种热电阻信号的测量系统，其特征在于，所述系统包括：第一恒流源和第二恒流源、飞电容、模/数转换器、精密电阻、控制器、设置在所述飞电容与热电阻之间且连接所述第一恒流源和第二恒流源的充电控制单元及设置在所述模/数转换器与飞电容之间的连接控制单元；

2.根据权利要求1所述的热电阻信号的测量系统，其特征在于，所述充电控制单元包括：

3.根据权利要求2所述的热电阻信号的测量系统，其特征在于，所述系统还包括：

4.根据权利要求2所述的热电阻信号的测量系统，其特征在于，所述系统还包括：

5.根据权利要求1所述的热电阻信号的测量系统，其特征在于，所述连接控制单元包括：设置于所述飞电容的第一极板与所述模/数转换器之间的第十二开关，以及，设置于所述飞电容的第二极板与所述模/数转换器之间的第十三开关。

6.根据权利要求5所述的热电阻信号的测量系统，其特征在于，所述系统还包括：

7.根据权利要求6所述的热电阻信号的测量系统，其特征在于，所述单位增益放大器为运算放大器，用于使所述模/数转换器在对所述飞电容存储的电压信号进行转换的时间内，所述飞电容上的泄漏电流维持在测量精度要求的范围内。

8.根据权利要求1所述的热电阻信号的测量系统，其特征在于，所述第一恒流源和第二恒流源的电流值相等。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的热电阻信号的测量系统，其特征在于，所述开关为模拟开关。