CN103913249A

CN103913249A - 一种温度监测电路装置和方法

Info

Publication number: CN103913249A
Application number: CN201210592211.XA
Authority: CN
Inventors: 刘琳
Original assignee: Beijing Aeonmed Co Ltd
Current assignee: Beijing Aeonmed Co Ltd
Priority date: 2012-12-29
Filing date: 2012-12-29
Publication date: 2014-07-09

Abstract

本发明提供了一种温度监测电路装置和方法，所述装置包括：稳压电路模块，提供基准电压；温度监测电路模块，与稳压电路模块相连，提供温度采样信号和参考电压信号；第一信号处理模块，与温度监测电路模块相连，将温度采样电压信号和参考电压信号相减并放大；第二信号处理模块，分别与第一信号处理模块和稳压电路模块相连，将信号放大并进行直流偏置调节。本发明提供的技术方案，通过对待测的温度进行采样，将温度采样信号与参考信号相减并放大，加入直流偏置电压调节，得到误差信号，根据这个误差信号得到待测温度的温度值。实现了对呼吸机涡轮外壳温度实时的监测，提高了温度监测的精度。

Description

一种温度监测电路装置和方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种温度监测电路装置和方法。

背景技术

呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸功消耗，节约心脏储备能力的装置，被越来越广泛的应用在急救、麻醉和呼吸治疗领域中。由于涡轮具有成本低、体积小、高效、易于控制等优点，采用涡轮作为气源的呼吸机越来越得到医疗设备行业的重视。

在呼吸机运行过程中，各种电子设备都会散发出一定的热量，引发机箱内部热量聚集。机箱内部温度的变化可以引起电子元器件的工作点温漂，导致输出信号的不稳定，而最终使得执行器件产生输出误差。

现有技术中基于涡轮温度监测的技术存在以下的缺点：（1）温度监测精度不高，容易受电源波动的影响；（2）电路移植性较差，电路设计具有一定的局限性。因此，除了为涡轮设计良好的散热通道之外，监测涡轮外壳的温度也非常重要，可以有效地预防机箱内部温度导致的呼吸机故障。

目前，实时的监测涡轮外壳的温度还属于正待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种温度监测电路装置和方法，实现了对呼吸机涡轮外壳温度实时的监测，提高了温度监测的精度。所述技术方案如下：

一种温度监测电路装置，包括：

稳压电路模块，与供电电源相连接，用于提供稳定的基准电压；

温度监测电路模块，与所述稳压电路模块相连接，用于将待测温度转换成电压信号，提供温度采样信号和参考电压信号；

第一信号处理模块，与所述温度监测电路模块相连接，用于将所述温度采样电压信号和参考电压信号相减并放大，得到初始误差信号；

第二信号处理模块，分别与所述第一信号处理模块和所述稳压电路模块相连接，用于将所述初始误差信号放大并利用所述基准电压进行直流偏置调节，同时滤除高频噪声，得到误差信号。

进一步的，所述稳压电路模块包括三端稳压管，所述三端稳压管的输入端连接供电电源，输出端输出稳定的基准电压。

进一步的，所述基准电压为4.096V。

进一步的，所述温度监测电路模块包括：

第一分压电阻，第二分压电阻，第三分压电阻和温度传感器；

所述温度传感器置于待测环境中或者待测物体附近；

所述第一分压电阻与温度传感器相串联，连接在所述三端稳压管的输出端与地之间，通过所述第一分压电阻和温度传感器分压得到温度采样信号，所述第一分压电阻与温度传感器的连接点作为温度采样信号输出端；

第二分压电阻和第三分压电阻相串联，连接在所述三端稳压管的输出端与地之间，通过所述第二分压电阻和第三分压电阻分压得到参考电压信号，所述第二分压电阻和第三分压电阻的连接点作为参考电压信号输出端。

进一步的，采用热电阻作为所述温度传感器。

进一步的，所述第一信号处理模块，包括减法运算放大电路，所述减法运算放大电路的两个输入端，分别与所述温度采样信号输出端和所述参考电压信号输出端相连接；

所述减法运算放大电路的输出端作为初始误差信号输出端。

进一步的，所述第二信号处理模块，包括无限增益多路反馈低通二阶滤波电路，所述电路的输入端与所述初始误差信号输出端相连接；

所述无限增益多路反馈低通二阶滤波电路中运算放大器的正相输入端通过电阻与所述三端稳压管的输出端相连接；

所述无限增益多路反馈低通二阶滤波电路的输出端作为误差信号输出端。

进一步的，所述装置还包括温度显示模块，所述温度显示模块进一步包括：

A/D转换器，处理器，显示器；

所述A/D转换器与误差信号输出端相连接，将所述误差信号转换成数字信号；

所述处理器与所述A/D转换器相连接，根据由误差信号转换成的数字信号，得到待测温度值；

所述显示器与所述处理器相连接，将待测温度值显示出来。

一种温度监测的方法，包括：

将待测温度转换成电压信号，得到温度采样信号；

利用基准电压得到参考电压信号；

将所述温度采样电压信号和参考电压信号相减并放大，得到初始误差信号；

将所述初始误差信号放大并利用所述基准电压加入直流偏置，得到误差信号，由所述误差信号得到待测温度值。

进一步的，采用热电阻分压的方法得到温度采样信号。

进一步的，采用差分放大电路将所述温度采样电压信号和参考电压信号相减并放大。

进一步的，采用无限增益多路反馈低通二阶滤波电路将所述初始误差信号放大并利用所述基准电压进行直流偏置调节。

本发明实施例提供的技术方案，通过对待测的温度进行采样，将温度采样信号与参考信号相减并放大，加入直流偏置电压调节，得到误差信号，根据这个误差信号得到待测温度的温度值。实现了对呼吸机涡轮外壳温度实时的监测，提高了温度监测的精度。

附图说明

图1是PT100温度传感器的电阻—温度关系示意图；

图2是PT100温度传感器测温原理示意图；

图3是本发明实施例提供的温度监测电路装置系统功能模块框图；

图4是本发明实施例优选提供的温度监测电路的稳压电路模块、第二信号处理模块、温度监测电路模块和第一信号处理模块的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例，仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

实施例

本发明实施例的基本工作原理为：

利用热电阻分压的方法，将待测温度转换成电压信号，得到温度采样信号；采用差分放大电路将温度采样信号与利用基准电压得到的参考电压信号相减并放大，得到初始误差信号；采用无限增益多路反馈低通二阶滤波电路将所述初始误差信号放大并利用所述基准电压进行直流偏置调节，得到误差信号；根据误差信号得到待测温度值，并显示出来。

在详细介绍本发明实施例前，首先介绍关于温度传感器的相关知识：

温度传感器从使用的角度来说，可分为接触式和非接触式两大类，目前使用较广泛的是接触式温度传感器，接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器。热电阻传感器还可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。

本发明优选的采用热电阻式温度传感器，常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，具有高温度系数、高电阻率；化学、物理性能稳定；输出具有良好的线性特性等优点，常用的热电阻有Pt100、Pt1000等。薄膜式铂电阻传感器也可以用于小尺寸的高电阻负荷。它们的低负载允许非常低的响应时间。当作为固定单元安装后，它们还能提供极好的振动阻力。

本发明优选的采用PT100温度传感器，PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数，其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：

在0～650℃范围内： R_T=Ro(1+At+Bt2)

在-200～0℃范围内： R_T=Ro[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

式中A、B、C为常数，A=3.9083×10^-3；B=-5.775×10^-7；C=-4.183×10^-12；

图1是PT100温度传感器的电阻—温度关系示意图，如图1所示，由于PT100温度传感器的电阻温度关系的线性度非常好，因此在测量较小范围内其电阻和温度变化的关系式如下：R_T=Ro(1+αT)。

其中α=0.00391，Ro为PT100温度传感器0℃的电阻值，T为华氏温度，PT100温度传感器的测量范围广：-200℃～+650℃，偏差小，响应时间短，还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其得到了广泛的应用。

PT100温度传感器测温原理：

图2是PT100温度传感器测温原理示意图，如图2所示：PT100温度传感器测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。具体来说：

图3是本发明实施例提供的温度监测电路装置系统功能模块框图，如图3所示：

一种温度监测电路装置，包括：

稳压电路模块301，与供电电源相连接，用于提供稳定的基准电压；温度监测电路模块302，与稳压电路模块301相连接，用于将待测温度转换成电压信号，提供温度采样信号和参考电压信号；第一信号处理模块303，与温度监测电路模块302相连接，用于将温度采样电压信号和参考电压信号相减并放大，得到初始误差信号；第二信号处理模块304，分别与第一信号处理模块和稳压电路模块相连接，用于将初始误差信号放大并利用基准电压进行直流偏置调节，同时滤除高频噪声，得到误差信号；温度显示模块305，与第二信号处理模块相连接，用于根据误差信号得到待测温度值，并显示出来。

其中，稳压电路模块301包括三端稳压管，三端稳压管的输入端连接供电电源，输出端输出稳定的基准电压，基准电压优选的选取为4.096V，这里选基准电压为4.096V是因为，在得到模拟的误差信号后，要将误差信号送到A/D转换器转换成数字信号，选基准电压为4.096V可以使计算更加方便，具体在后面计算中做解释。

其中温度监测电路模块302进一步包括：

温度传感器被放在待测的环境中或者待测物体附近；第一分压电阻与温度传感器相串联，连接在三端稳压管的输出端与地之间，通过第一分压电阻和温度传感器分压得到温度采样信号，第一分压电阻与温度传感器的连接点作为温度采样信号输出端；

第二分压电阻和第三分压电阻相串联，连接在三端稳压管的输出端与地之间，通过第二分压电阻和第三分压电阻分压得到参考电压信号，第二分压电阻和第三分压电阻的连接点作为参考电压信号输出端。本发明的实施例优选的采用热电阻作为温度传感器。

第一信号处理模块303进一步包括减法运算放大电路，减法运算放大电路的两个输入端，分别与温度采样信号输出端和参考电压信号输出端相连接；减法运算放大电路的输出端作为初始误差信号输出端。

其中，减法运算放大电路可以是一般的具有放大功能的减法器，也可以是仪表放大电路或者使用仪表放大器搭建的减法放大电路等差分放大电路，只要符合能将温度采样信号和参考电压信号相减并放大的电路就可以。

第二信号处理模块304进一步包括无限增益多路反馈低通二阶滤波电路，电路的输入端与初始误差信号输出端相连接；无限增益多路反馈低通二阶滤波电路中运算放大器的正相输入端通过电阻与三端稳压管的输出端相连接；无限增益多路反馈低通二阶滤波电路的输出端作为误差信号输出端。

温度显示模块305进一步包括A/D转换器、处理器和显示器；

A/D转换器与误差信号输出端相连接，将误差信号转换成数字信号；处理器与A/D转换器相连接，根据由误差信号转换成的数字信号，得到待测温度值；显示器与处理器相连接，将待测温度值显示出来。

图4是本发明实施例优选提供的温度监测电路的稳压电路模块、温度监测电路模块、第一信号处理模块和第二信号处理模块的电路示意图，如图4所示：

三端稳压管U1和电容C1构成了稳压电路模块，电容C1起了滤波的作用三端稳压管U1输入端接+5V的供电电源，输出端输出电压为4.096V的稳定的基准电压。采用三端稳压管U1稳压是为了保证温度监测电路模块输出电压信号的稳定性，温度监测电路必须使用稳定的参考基准作为供电，因为如果直接供电普通电源的话，当网压波动造成电源电压发生波动时，输出的信号也会发生改变，影响了测量的准确性。

第一分压电阻R1，第二分压电阻R2，第三分压电阻R3和温度传感器RT构成了温度监测电路模块，具体连接不再赘述，由于温度传感器RT的阻值随温度变化而变化，温度越高阻值越大，且成线性关系，所以，当温度升高时，第一分压电阻R1和温度传感器RT串联线路的总电阻增大，电流减小，第一分压电阻R1两端的压降减小，则温度采样电压信号就会变大，反之，则减小。因此温度采样电压信号直接准确的反映了待测温度的情况。

而采用第二分压电阻R2和第三分压电阻R3分压得到参考电压信号，并将温度采样信号与参考电压信号相减，是因为电阻都会出现温漂等现象，当第一分压电阻R1的阻值由于环境的因素而发生变化时，会使温度采样信号不能准确的反映温度传感器RT的温度情况，使得测量变得不准确。加入第二分压电阻R2和第三分压电阻R3后，由于第一分压电阻R1，第二分压电阻R2，第三分压电阻R3采用相同规格的电阻，因此由于环境的因素，阻值的发生变化情况也类似，第一分压电阻R1增大，第三分压电阻R3也随着增大，反之亦然，所以，由于温漂导致的温度采样信号增大，参考电压信号也会增大，将温度采样信号与参考电压信号相减，可以有效的减小温漂对测量的影响。

电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R13以及电容C2、电容C3和放大器U2A构成了第一信号处理模块，本实施例优选的采用了减法器电路，输入信号分别为温度采样信号和参考电压信号，这个减法器电路的增益为：

G_{1} = \frac{R_{6}}{R_{5}}

则减法器的输出电压信号，即初始误差信号大小为：

V_{o} = G_{1} * V_{ref} * (\frac{R_{T}}{R_{1} + R_{T}} - \frac{R_{3}}{R_{2} + R_{3}})

其中V_ref=4.096V，为基准电压。

电阻R7~电阻R12、电容C5、电容C6、电容C8以及运放U2B构成了第二信号处理模块，本实施例优选的采用了无限增益多路反馈低通二阶滤波电路作为第二信号处理模块。

本发明为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用了两级放大，即第一信号处理模块放大一次后，第二信号处理模块再放大一次。第二信号处理模块也实现了对输出电压信号进行直流偏置的调节。这是为了防止误差信号出现负值的情况，而无法被A/D转换器直接采样，加入直流偏置的调节后，初级误差信号即使出现负值，在调节后也会变为正值。

第二信号处理模块输出为：

V_{out} = \frac{V_{ref}}{2} + (\frac{V_{ref}}{2} - V_{o}) * \frac{R_{10}}{R_{7}}

调节R8/R11实现对初始误差信号V_O的直流偏置的调节，使其在0—3V的范围之内。式中，V_ref＝4.096V。

结合上面的公式，第二信号处理模块输出为：

V_{out} = \frac{V_{ref}}{2} = [\frac{V_{ref}}{2} - \frac{R_{6}}{R_{5}} * V_{ref} * (\frac{R_{T}}{R_{1} + R_{T}} - \frac{R_{3}}{R_{2} + R_{3}})] * \frac{R_{10}}{R_{7}}

前面提到了，这里选基准电压为4.096V是因为，在得到模拟的误差信号后，要将误差信号送到A/D转换器转换成数字信号，选基准电压为4.096V可以使计算更加方便，由上式可见，V_ref＝4.096V，V_out为V_ref的倍数，4096是2的12次方，例如，对于12位的AD，1bit=4096mv/4096=1mv，这样更方便计算。

由于温度传感器的电阻为：RT=Ro(1+αT)其中，α=0.00391，Ro为温度传感器在0℃的电阻值，T为华氏温度。

则V_out与待测温度T的关系式为：

V_{out} = \frac{V_{ref}}{2} + {\frac{V_{ref}}{2} - \frac{R_{6}}{R_{5}} * V_{ref} * [\frac{R_{0} (1 + αT)}{R_{1} + R_{0} (1 + αT)} - \frac{R_{3}}{R_{2} + R_{3}}]} * \frac{R_{10}}{R_{7}}

以上仅是针对本发明的优选实施例及其技术原理所做的说明，而并非对本发明的技术内容所进行的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的技术范围内，所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种温度监测电路装置，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述稳压电路模块包括三端稳压管，所述三端稳压管的输入端连接供电电源，输出端输出稳定的基准电压。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述基准电压为4.096V。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度监测电路模块包括：

所述温度传感器置于待测环境中或者待测物体附近；

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，采用热电阻作为所述温度传感器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一信号处理模块，包括减法运算放大电路，所述减法运算放大电路的两个输入端，分别与所述温度采样信号输出端和所述参考电压信号输出端相连接；

所述减法运算放大电路的输出端作为初始误差信号输出端。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二信号处理模块，包括无限增益多路反馈低通二阶滤波电路，所述电路的输入端与所述初始误差信号输出端相连接；

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括温度显示模块，所述温度显示模块进一步包括：

A/D转换器，处理器，显示器；

所述显示器与所述处理器相连接，将待测温度值显示出来。

9.一种温度监测的方法，其特征在于，包括：

将待测温度转换成电压信号，得到温度采样信号；

利用基准电压得到参考电压信号；

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，采用热电阻分压的方法得到温度采样信号。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，采用差分放大电路将所述温度采样电压信号和参考电压信号相减并放大。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，采用无限增益多路反馈低通二阶滤波电路将所述初始误差信号放大并利用所述基准电压进行直流偏置调节。