CN104236743A - 一点标定温度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一点标定温度测量系统，其至少包括：单片机、AD转换器、热电阻、第一电阻、第二电阻以及若干电容。本发明的一点标定温度测量系统由一点标定替代原来的三点标定，使标定效率提高了三分之二，且在保证精度的前提下简化了电路结构；将采样通道减少为2个，使采样速度提高了三分之一；同时，无需外部恒流源即可消除了热电阻导线电阻对采样结果的影响，即精简了电路结构又保证了温度测量的准确性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

Description

一点标定温度测量系统

技术领域

本发明涉及一种温度测量系统，特别是涉及一种一点标定温度测量系统。

背景技术

如图1所示，现有技术中的三点标定温度测量系统中包括一路恒流源、模拟开关、高精度运算放大器、精密电阻、电容等。其中，在7、8两输入端接入热电阻RTD，在8、9两输入端设置连接导线，并使用模拟开关切换输入采样通道。该系统通过一路恒流源测量热电阻RTD的导线电阻，并进行消除；输入信号通过高精度运算放大器进行转换，最终经过AD转换器进入单片机来采集相应的温度值。其中，电阻R43、R44、R45、R48为保护电阻，电阻R35、R36为运算放大器跟随电阻，电容C32、C33、C34、C35为滤波电容。

上述三点标定温度测量系统进行采集时，需要采样三个通道。其中，通道1采样7、8两端电压,通道2采样7、9两端电压，通道3采样电阻R47上的电压。通过通道1与通道2的计算能够得到标定前的采样码值，将标定前的采样码值与通道3电阻采样码值比较便能够计算得到输入电阻，进而得到相应的温度值。

由于热电阻RTD具有非线性，输入电阻在标定时需要进行分段线性化，需要对80Ω、180Ω和280Ω三个电阻点进行分别标定。因此，上述温度测量系统具有以下缺点：

1）需要对三个点进行标定，导致标定时间长，生产效率低；

2）系统元器件多，尤其是需要高精度运算放大器，价格成本高；

3）测量时，需要采样3个通道，采样时间长。

另外，在授权号为CN101806640B的中国专利《一种热电阻信号测量系统》中公开一种热电阻信号的测量系统，其包括：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。该发明可以提高测量热电阻信号的准确性，但是其需要两路恒流源与充电控制单元，无法实现热电偶测量，无法做到任意量程组态。

在公开号为CN101467013A的中国专利《温度测量装置和测量方法》中，公开一种温度测量装置，其包括基准电压源、三线热电阻、压降放大器、运算放大器、以及补偿电阻R₄和R₇。利用连接线以及补偿电阻R₄和R₇的阻值，输出信号S_T与热电阻R_T的阻值之间的关系形成单调函数，该单调函数与连接线的阻值无关。输出信号S_T经A/D转换后，根据已知函数可以算出R_T值和温度T。本发明在整个测量范围内和对于电缆的任何长度而言，不需要开关或跳线，就能完全补偿电线阻值的影响。但是，该温度测量装置使用模拟电路搭建，电路复杂，所需关键元器件较多，无法实现热电偶测量，无法做到任意量程组态。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种一点标定温度测量系统，只需通过任意一点进行标定即可得到热电阻信号，且可实现热电阻和热电偶的测量。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种一点标定温度测量系统，其至少包括：单片机、AD转换器、热电阻（RTD）、第一电阻（R73）和第二电阻（R63），所述单片机与所述AD转换器连接，第一端子（7）、第二端子（8）和第三端子（9）分别连接到所述AD转换器的第一输入端、第二输入端和第三输入端，所述第一电阻（R73）一端连接基准电压源，另一端连接到所述第一端子（7）；所述第二电阻（R63）一端与所述第二端子（8）连接，另一端接地；所述热电阻（RTD）两端分别连接到所述第一端子（7）和第二端子（8），所述第二端子（8）和第三端子（9）通过导线连接。

根据上述的一点标定温度测量系统，其中：还包括第三电阻（R61）和第四电阻（R62），所述第三电阻（R61）一端与所述第一端子（7）连接，另一端连接到所述第二端子（8），用于判断传感器是否断线；所述第四电阻（R62）一端与所述第三端子（9）连接，另一端接地，用于增加电路的输入阻抗。

根据上述的一点标定温度测量系统，其中：所述第一端子（7）、第二端子（8）和第三端子（9）分别经由第一保护电阻（R70）、第二保护电阻（R71）和第三保护电阻（R72）连接到所述AD转换器的第一输入端、第二输入端和第三输入端。

根据上述的一点标定温度测量系统，其中：在所述AD转换器的第一输入端、第二输入端和第三输入端分别对地连接第一电容（C52）、第二电容（C53）和第三电容（C54），以滤除单片机引脚对地的共模干扰。

根据上述的一点标定温度测量系统，其中：在所述AD转换器的第一输入端处和第二输入端之间，第二输入端和第三输入端之间，第一输入端和第三输入端之间分别连接有第四电容（C49）、第五电容（C50）和第六电容（C51），以滤除单片机引脚之间的差模干扰。

根据上述的一点标定温度测量系统，其中：所述单片机根据下式得到所述热电阻（RTD）的电阻值：

$R_{\mathrm{RTD}}=\frac{2N2-N1}{\mathrm{aN}-N1}\×R_{\mathrm{ref}}$

其中，R_ref为基准电阻，a为AD转换器的内部增益，N为所述基准电压源对应的电压值，N1为所述单片机采集的所述AD转换器的第一输入端和第二输入端之间的电压值，N2为所述单片机采集的所述AD转换器的第一输入端和第三输入端之间的电压值。

进一步地，根据上述的一点标定温度测量系统，其中：N1和N2由下式得到：N1=2Vl+V_RTD，N2=Vl+V_RTD，其中，V1=V_RTD+2V_L，V_RTD为所述热电阻（RTD）两端的电压值，V_L为连接所述热电阻（RTD）到所述第一端子（7）或第二端子（8）的导线的电压值。

在本发明的另一个优选实施例中，根据上述的一点标定温度测量系统，其中：还包括热电偶（TC），所述热电偶（TC）两端连接到所述第二端子（8）和第三端子（9）。

根据上述的一点标定温度测量系统，其中：所述热电阻采用Pt100。

根据上述的一点标定温度测量系统，其中：由所述热电阻两端的电压得到出实际冷端温度以及当前分度号下需要补偿的冷端电势；由所述热电偶（TC）两端的电压得到的热电偶毫伏信号；所述热电偶毫伏信号与所述需要补偿的冷端电势对应的毫伏值叠加后，根据分度表得出当前热电偶的温度。

如上所述，本发明的一点标定温度测量系统，具有以下有益效果：

（1）在保证精度的前提下简化了电路结构；

（2）由一点标定替代原来的三点标定，标定效率提高三分之二；

（3）采样通道减少为2个，采样的速度提高了三分之一；

（4）无需外部恒流源即可消除了热电阻导线电阻对采样结果的影响；

（5）可实现热电阻、热电偶的测量。

附图说明

图1显示为现有技术中三点标定温度测量系统的结构示意图；

图2显示为本发明的一点标定温度测量系统的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本发明的一点标定温度测量系统的结构如图2所示，其可实现通过热电阻或热电偶来测量当前温度。由图可知，该系统包括单片机、AD转换器以及若干个电阻和电容。端子7、端子8和端子9分别经由保护电阻R70、R71和R72连接到AD转换器的第一输入端、第二输入端和第三输入端，保护电阻R70、R71和R72用于防止干扰信号直接被引入到单片机引脚。同时，AD转换器的第一输入端、第二输入端和第三输入端分别对地连接Y电容C52、C53和C54，以滤除单片机引脚对地的共模干扰。在AD转换器的第一输入端和第二输入端之间、第二输入端和第三输入端之间、第一输入端和第三输入端之间分别连接有X电容C49、C50和C51，以滤除单片机引脚之间的差模干扰。电阻R73一端连接基准电压源Vr，另一端连接到端子7，电阻R61一端与端子7连接，另一端连接到端子8，用于判断传感器是否断线；电阻R63一端与端子8连接，另一端接地；电阻R62一端与端子9连接，另一端接地，用于增加电路的输入阻抗，减小测量时热电偶内阻的影响。其中，AD转换器与单片机相连，AD转换器用于将采样得到的热电阻RTD和/或热电偶TC的电压值转换为数字信号后传送至单片机；单片机用于根据AD转换器采集到的信息计算出当前测量的温度值。

在本发明的一个优选实施例中，采用热电阻RTD进行温度测量。在测量温度时，热电阻RTD只需标定100Ω电阻一个点便可进行准确的温度测量。

测量时，热电阻RTD的两端分别经由导线L连接到端子7和端子8，端子8和端子9之间采用导线连接。当热电阻RTD输入时，需要采样两个通道，通道1采样端子7和端子8两端的电压,通道2采样端子7和端子9两端的电压。其中，通道1测量的电压包含热电阻RTD的电压V_RTD和两根导线L的电压V_L，即V1=V_RTD+2V_L。通道2测量的电压包含热电阻RTD的电压V_RTD和一根导线的电压V_L，即V2=V_RTD+V_L。

因此，热电阻RTD的电阻值由下式可得：R_RTD=(2V2-V1)/I，其中，I为激励电流，由单片机电源产生，此激励电流仅起到供电作用，无特殊要求。在该一点标定温度测量系统中，激励电流回路为：Vr→R73→RTD→R63→GND。根据图2所示的电路图，可得到如下公式：

V_RTD=2×V2-V1=I×R_RTD

V_r-V1=I×(R63+R73+R_oth)=I×R_ref

其中，R_ref代表基准电阻，是一个虚拟量，本发明中把电流回路中除热电阻RTD以外的所有电阻的综合当做基准电阻。R_oth表示激励电流回路中，除R63、R73和热电阻RTD相关的电阻以外其他电阻的总和。

测量当前具体温度值时，单片机对AD转换器的三个输入端的电压进行分时采样，且采样后得到的电压输入到单片机的差分引脚。通道CH1，即输入端1-2之间，采样得到的电压值为N1=2Vl+V_RTD，通道CH2，即输入端1-3之间，采样得到的电压值为N2=Vl+V_RTD，故V_RTD=2N2-N1。因此，可得

$\frac{V_{\mathrm{RTD}}}{V_r-V_{\mathrm{RTD}}}=\frac{R_{\mathrm{RTD}}}{R_{\mathrm{ref}}}=\frac{2N2-N1}{\mathrm{aN}-N1}.$

其中，a表示AD转换器的内部增益，其可以由单片机控制为2、4、8、16、32、64等值。因此，计算时，V_r对应的电压值N也需放大a倍，即为aN。

由上式可推出： $R_{\mathrm{RTD}}=\frac{2N2-N1}{\mathrm{aN}-N1}\×R_{\mathrm{ref}}$

故单片机采集到电压值N1和N2后，再结合电路的基准电压值N和基准电阻值R_ref，以及AD转换器的内部增益值a，便可得到热电阻的当前阻值R_RTD，进而由热电阻的当前阻值R_RTD转换得到当前的温度值。

进一步地，该实施例中还可以包括一个显示装置（图中未示出）。该显示装置与单片机相连，用于显示计算后得到的当前温度值。优选地，该显示装置包括LED显示器。

在本发明的另一个优选实施例中，采用热电偶TC进行温度测量。在温度测量时，热电偶TC只需标定300Ω电阻一个点即可准确测出温度值。

如图2所示，采用热电偶TC测量时，上述基本电路不变，只需将热电阻RTD替换为热电阻R52，即R52的两端分别连接到端子7和端子8，将热电偶TC的两端分别连接到端子8和端子9。其中，R52采用Pt100。当热电偶TC输入时，需要采样两个通道，通道1采样端子7和端子8两端的电压,通道2采样端子8和端子9两端的电压。

通道1用于测量热电阻R52两端的电压，即V1=Vpt100，R52两端的导线很短，故导线电压可忽略。通道2用于测量热电偶传感器TC两端的电压，即V2=Vmv。

通道1和通道2采样出相应的电压值后，将其经过AD转换器传送到单片机，由单片机进行后续的处理，以得到当前的实际温度。具体地，单片机根据采样得到电压V1由分度表得出实际冷端温度以及当前分度号下需要补偿的冷端电势；另外，单片机将采样得到的热电偶毫伏信号与通道1中得到冷端电势对应的毫伏值叠加，然后根据分度表得到当前热电偶TC的实际温度。

进一步地，该实施例中还可以包括一个显示装置（图中未示出）。该显示装置与单片机相连，用于显示计算后得到的当前温度值。优选地，该显示装置包括LED显示器。

综上所述，本发明的一点标定温度测量系统由一点标定替代原来的三点标定，使标定效率提高了三分之二，且在保证精度的前提下简化了电路结构；将采样通道减少为2个，使采样速度提高了三分之一；同时，无需外部恒流源即可消除了热电阻导线电阻对采样结果的影响，即精简了电路结构又保证了温度测量的准确性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种一点标定温度测量系统，其特征在于，所述一点标定温度测量系统至少包括：单片机、AD转换器、热电阻（RTD）、第一电阻（R73）和第二电阻（R63），所述单片机与所述AD转换器连接，第一端子（7）、第二端子（8）和第三端子（9）分别连接到所述AD转换器的第一输入端、第二输入端和第三输入端，所述第一电阻（R73）一端连接基准电压源，另一端连接到所述第一端子（7）；所述第二电阻（R63）一端与所述第二端子（8）连接，另一端接地；所述热电阻（RTD）两端分别连接到所述第一端子（7）和第二端子（8），所述第二端子（8）和第三端子（9）通过导线连接。

2.根据权利要求1所述的一点标定温度测量系统，其特征在于：还包括第三电阻（R61）和第四电阻（R62），所述第三电阻（R61）一端与所述第一端子（7）连接，另一端连接到所述第二端子（8），用于判断传感器是否断线；所述第四电阻（R62）一端与所述第三端子（9）连接，另一端接地，用于增加电路的输入阻抗。

3.根据权利要求1所述的一点标定温度测量系统，其特征在于：所述第一端子（7）、第二端子（8）和第三端子（9）分别经由第一保护电阻（R70）、第二保护电阻（R71）和第三保护电阻（R72）连接到所述AD转换器的第一输入端、第二输入端和第三输入端。

4.根据权利要求1所述的一点标定温度测量系统，其特征在于：在所述AD转换器的第一输入端、第二输入端和第三输入端分别对地连接第一电容（C52）、第二电容（C53）和第三电容（C54），以滤除单片机引脚对地的共模干扰。

5.根据权利要求1所述的一点标定温度测量系统，其特征在于：在所述AD转换器的第一输入端处和第二输入端之间，第二输入端和第三输入端之间，第一输入端和第三输入端之间分别连接有第四电容（C49）、第五电容（C50）和第六电容（C51），以滤除单片机引脚之间的差模干扰。

6.根据权利要求1所述的一点标定温度测量系统，其特征在于：所述单片机根据下式得到所述热电阻（RTD）的电阻值：

$R_{\mathrm{RTD}}=\frac{2N2-N1}{\mathrm{aN}-N1}\×R_{\mathrm{ref}}$

其中，R_ref为基准电阻，a为AD转换器的内部增益，N为所述基准电压源对应的电压值，N1为所述单片机采集的所述AD转换器的第一输入端和第二输入端之间的电压值，N2为所述单片机采集的所述AD转换器的第一输入端和第三输入端之间的电压值。

7.根据权利要求6所述的一点标定温度测量系统，其特征在于：N1和N2由下式得到：N1=2Vl+V_RTD，N2=Vl+V_RTD，其中，V1=V_RTD+2V_L，V_RTD为所述热电阻（RTD）两端的电压值，V_L为连接所述热电阻（RTD）到所述第一端子（7）或第二端子（8）的导线的电压值。

8.根据权利要求1-5所述的一点标定温度测量系统，其特征在于：还包括热电偶（TC），所述热电偶（TC）两端连接到所述第二端子（8）和第三端子（9）。

9.根据权利要求8所述的一点标定温度测量系统，其特征在于：所述热电阻采用Pt100。

10.根据权利要求8所述的一点标定温度测量系统，其特征在于：由所述热电阻两端的电压得到出实际冷端温度以及当前分度号下需要补偿的冷端电势；由所述热电偶（TC）两端的电压得到的热电偶毫伏信号；所述热电偶毫伏信号与所述需要补偿的冷端电势对应的毫伏值叠加后，根据分度表得出当前热电偶的温度。