CN101937242A - 一种基于智能电表设备的温度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于智能电表设备的温度控制装置，包括热敏电阻2、控制电路3、电源管理单元4和加热制冷器5，控制电路3分别与热敏电阻2和加热制冷器5相连，电源管理单元4与控制电路3相连并将电表设备1中的电源信号引入到控制电路3中，控制电路3将热敏电阻2传递的温度信息进行分析和处理后，下达控制信号给加热制冷器5。本发明的温度控制装置对电表设备的工作环境温度进行控制，使之维持在一个合理的范围之内，从而极大地提高了电表设备的稳定性和可靠性。

Description

一种基于智能电表设备的温度控制装置

技术领域

本发明涉及一种温度控制装置，具体地说是一种基于智能电表设备的温度控制装置。

背景技术

在电力系统中，由于电表设备所处工作环境的区域性差异较大，再加上季节性带来的温差，使其工作环境温度在较大范围内变化，低温可达-40℃以下，高温则可达到75℃以上。在如此悬殊的温度下，电表设备中元器件的功能、性能、寿命等都将急剧下降，使得整个设备系统的可靠性、安全性、稳定性受到了极大的威胁。正是由于这些隐患的存在，在电表设备中加入温度控制装置是非常必要的。

现有的智能电表系统一般还没有加入温度控制装置，在一些特殊功能仪器仪表中(如在线测量仪表)存在类似的温度控制器，但其实现方式一般是利用温度传感器、单片机处理器、固体继电器及由分立器件实现的电路板来驱动半导体制冷器。此方案除了成本较高、体积较大外，还存在温度控制的线性度较差，且易受到外界因素的干扰，尤其对电压信号要求其纹波较小。

因此，为了提高电表设备的稳定性和可靠性，迫切的需要开发出一款可以控制电表设备的工作环境温度在一个合理范围内的温度控制装置。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明的目的在于提出一种可以提高电表设备稳定性和可靠性的温度控制装置。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种基于智能电表设备的温度控制装置，包括热敏电阻、控制电路、电源管理单元和加热制冷器，所述控制电路分别与热敏电阻和加热制冷器相连，所述电源管理单元与控制电路相连并将电表设备中的电源信号引入到控制电路中，所述控制电路将热敏电阻传递的温度信息进行分析和处理后，下达控制信号给加热制冷器。

其中，所述控制电路包括稳压电路、基准电压源、温度检测电路、压控电流源、放大电路、判决电路和驱动电路，所述稳压电路将电表设备传来的电源信号输出至基准电压源和压控电流源中，所述压控电流源分别与温度检测电路和放大电路相连，将基准电压源输出的参考电压与放大电路输出的感应电压传至判决电路中进行比较，比较得到的输出信号经驱动电路后作为加热制冷器的控制信号。

其中，所述温度检测电路包括电阻和热敏电阻。

其中，所述压控电流源包括温度检测电路、运算放大器和PMOS管。

其中，所述放大电路包括电阻和运算放大器。

其中，所述判决电路包括迟滞比较器。

其中，所述驱动电路包括缓冲寄存器。

其中，所述加热制冷器采用半导体/加热制冷器。

本发明的有益效果是：

1.体积小：该发明主体结构采用全定制CMOS集成电路，采用较小的封装形式，大大降低了整个装置的体积。

2.外围部件少：除了热敏电阻和加热/制冷器外其余部分均集成到控制电路中。

3.线性度好：控制电路具有良好的线性响应特性，可以满足实现精细温度控制的要求。

4.感应精度高：决定感应电压的各项均可通过电路设计、布图设计和CMOS工艺控制进行优化获得较好的感应特性。

5.抗干扰能力强：由控制电路特性可知该系统不易受到来自电源、衬底等外界因素的干扰，具有较强的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明所述温度控制装置的整体结构示意图；

图2为控制电路的结构示意图；

图3为控制电路的工作原理图；

图4为本发明所述温度控制装置的V-T特性曲线；

图中，1-电表设备，2-热敏电阻，3-控制电路，4-电源管理单元，5-加热/制冷器，6-温度检测电路，7-稳压电路，8-基准电压源，9-压控电流源，10-放大电路，11-判决电路，12-驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的温度控制装置做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的温度控制装置主要由热敏电阻2、控制电路3、电源管理单元4和加热制冷器5组成，控制电路3分别与热敏电阻2和加热制冷器5相连，电源管理单元4与控制电路3相连并将电表设备1中的电源信号引入到控制电路3中。

图2中的Rth是感应元件，具体采用热敏电阻(PTC)，其阻值随温度成正比线性变化，即：温度上升，阻值变大；温度下降，阻值减小。热敏电阻2与控制电路3相连，其阻值随温度变化的信息同时也传递给控制电路3。

电源管理单元4与控制电路3和电表设备1的电源信号相连，负责将从电表设备1端的电源信号引入到控制电路3中，并对该电源信号进行必要的滤波和稳压处理。

加热/制冷器5由半导体加热/制冷器实现，其具有体积小的特点，可实现温度的精细控制。其工作状态由控制电路3的输出信号Vctrl驱动，根据Vctrl的逻辑值来启动或关闭加热/制冷器装置。当加热/制冷器5启动后，将使得环境温度发生变化，直至满足系统正常工作要求，之后进入关闭状态。当环境温度再次发生偏离后，热敏电阻2和控制电路3进入工作状态，通过控制信号Vctrl进行新一轮的温度调节。

控制电路3与热敏电阻2和加热/制冷器5相连，起到桥梁的作用，将热敏电阻2传递的温度信息进行分析和处理后，下达控制信号给加热/制冷器5。控制电路是由CMOS集成电路实现的，采用CMOS集成电路可以获得低功耗、小尺寸、强抗干扰能力等优点。

该装置中的控制电路3的结构如图2所示，主要由稳压电路7，基准电压源8，温度检测电路6，压控电流源9，放大电路10，判决电路11和驱动电路12组成，稳压电路7将电表设备1传来的电源信号输出至基准电压源8和压控电流源9中，压控电流源9分别与温度检测电路6和放大电路10相连，将基准电压源8输出的参考电压与放大电路10输出的感应电压传至判决电路11中进行比较，比较得到的输出信号经驱动电路12后作为加热制冷器5的控制信号。

控制电路3的工作原理是，当环境温度发生变化时，首先由温度检测电路6检测出环境的温度信息，并将该信息转化为可以处理的电学信号作为压控电流源9的输入信号源；压控电流源9基于参考电压对该信号进行电压-电流转换，转换后的电流信号经放大电路10进行放大处理，输出信号进入判决电路11与参考电压作比较，比较得到的输出信号经驱动电路12作增强处理后作为加热/制冷器5的控制信号。稳压电路7主要负责对进来的电源信号进行滤波和稳压处理，并输出到基准电压源8和压控电流源9中；基准电压源8主要包含一个高精度带隙基准源，通过分压电路处理后输出特定的电压作为其他模块的参考电压。

控制电路3的核心电路结构如图3所示。该结构基于CMOS集成电路工艺，图中的电阻一般由较高精度的Poly电阻实现。电路中电阻R1、R2与热敏电阻2组成温度检测电路6；并与运算放大器A1，PMOS管M1、M2组成压控电流源9，电压由参考电压Vref1提供；PMOS管M1～M4构成镜像电流源，通过设置M3、M4的尺寸可以获得与压控电流源9相关的电流；电阻R3～R7与运算放大器A2组成放大电路10，其中电阻R3对镜像电流进行采样并经过放大电路进行放大，得到感应电压Vsense；迟滞比较器A3组成判决电路11，对感应电压Vsense和参考电压Vref2作比较；驱动电路12由缓冲寄存器A4实现；图中参考电压Vref1和Vref2由基准电压源8提供。假定压控电流源得到的电流为I₁，电流镜像得到的电流为M·I₁，R1》Rth，R4＝R5，R6＝R7＝N·R4；经推导可得感应电压Vsense的表达式为：

$\mathrm{Vsense}=\mathrm{Vref}1\·\left(\frac{R3}{\mathrm{Rth}+R2}\right)\·M\·N$

由上式可知：感应电压Vsense仅与参考电压Vref1、电阻项、M、N值相关。参考电压Vref1由基准电压源8产生，精度高，抗干扰能力强；Cascode电流镜结构保证了M值的精度；N值及电阻项均由电阻比值实现，可极大的消除由电阻的工艺偏差引入的误差，此外，在CMOS工艺中可以通过建立Pcell、Dummy Cell及相邻交叉的布图方式来有效地提高电阻的精度。

附图4是感应电压Vsense与温度之间的特性曲线，其中横坐标表示温度(℃)，纵坐标表示感应电压值(V)。随着温度由-50℃渐变至150℃时，热敏电阻2阻值发生变化，感应电压近似呈线性减小，通过设置参考电压Vref2的取值，可以设置启动加热/制冷器5的温度阈值点。

本发明的温度控制装置结合CMOS工艺，利用热敏电阻和半导体加热制冷器，对电表设备的工作环境温度进行控制，使之维持在一个合理的范围之内，从而极大地提高了电表设备的稳定性和可靠性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于智能电表设备的温度控制装置，该装置包括热敏电阻(2)、控制电路(3)、电源管理单元(4)和加热制冷器(5)，其特征在于：所述控制电路(3)分别与热敏电阻(2)和加热制冷器(5)相连，所述电源管理单元(4)与控制电路(3)相连并将电表设备(1)中的电源信号引入到控制电路(3)中，所述控制电路(3)将热敏电阻(2)传递的温度信息进行分析和处理后，下达控制信号给加热制冷器(5)。

2.如权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于：所述控制电路(3)包括稳压电路(7)、基准电压源(8)、温度检测电路(6)、压控电流源(9)、放大电路(10)、判决电路(11)和驱动电路(12)，所述稳压电路(7)将电表设备(1)传来的电源信号输出至基准电压源(8)和压控电流源(9)中，所述压控电流源(9)分别与温度检测电路(6)和放大电路(10)相连，将基准电压源(8)输出的参考电压与放大电路(10)输出的感应电压传至判决电路(11)中进行比较，比较得到的输出信号经驱动电路(12)后作为加热制冷器(5)的控制信号。

3.如权利要求2所述的温度控制装置，其特征在于：所述温度检测电路(6)包括电阻和热敏电阻(2)。

4.如权利要求2或3所述的温度控制装置，其特征在于：所述压控电流源(9)包括温度检测电路(6)、运算放大器和PMOS管。

5.如权利要求2所述的温度控制装置，其特征在于：所述放大电路(10)包括电阻和运算放大器组成。

6.如权利要求2所述的温度控制装置，其特征在于：所述判决电路(11)包括迟滞比较器。

7.如权利要求2所述的温度控制装置，其特征在于：所述驱动电路(12)包括缓冲寄存器。

8.如权利要求2所述的温度控制装置，其特征在于：所述加热制冷器(5)采用半导体加热制冷器。

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