CN104344908A - 一种三线制热电阻测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三线制热电阻测量电路，包括：一恒流源与该三线制热电阻连接的第一端子连接，用于为该三线制热电阻提供激励；一信号调理模块的第一输入端与该恒流源连接，该信号调理模块的第二输入端与该三线制热电阻连接的第二端子连接，该信号调理模块的第三输入端连接一直流偏置电压；该信号调理模块的输出端连接一放大电路的输入端，该放大电路的输出端连接一A/D采样器，该A/D采样器的电压与该热电阻的阻值成一线性关系。

Description

一种三线制热电阻测量电路

技术领域

本发明涉及一种高精度温度测量技术领域，尤其涉及一种三线制热电阻测量电路。

背景技术

高精度温度测量是工业生产领域的一个重要课题。金属铂材料制成的热电阻由于其具有精度高、稳定性、重现性和互换性好等特点，成为工业测温系统中被广泛使用的一种比较理想的测温元件。由于三线制热电阻具有成本较低、接线比较方便、测量精度较高等特点，是目前最常用的一种热电阻接线方式。被广泛应用的三线制热电阻的测量方法有不平衡电桥法和双恒流源法。

如图1所示为三线制不平衡电桥法测量原理图。其中A、B、C为通过连接导线引出的热电阻的三个接线端子，Vr为基准参考电压，R1、R2和R3为电桥的三个固定桥臂电阻， Rt为热电阻在温度为t℃时的阻值，r为三根截面积和长度都相等的连接导线的阻值，G为测量电路。利用该方法，连接导线的电阻r将对测量结果产生很大的影响，该误差在高精度温度测量应用环境下是无法接受的。

如图2所示为三线制双恒流源法测量原理图。同样，A、B、C为三个接线端子，Ia和Ib为两个电流相等的恒流源，r是连接导线的阻值，Rt为热电阻在温度为t℃时的阻值，G为测量电路。利用该方法虽然能够消除导线阻值r对测量结果的影响，但是它的测量精度是建立在两个恒流源电流一致性很好的基础上。实际应用中，任何恒流源都会存在时间漂移和温度漂移，恒流源的一致性会受到影响，从而造成较大的测量误差。

中国专利200810036435.6公开了一种热电阻三线制、四线制复用测量温度的方法，该发明所公开的三线制热电阻的测量方法不准确，且完全没有考虑到双恒流源匹配精度的问题。所以该方法声称可以用三线制热电阻实现四线制热电阻的采样精度值得商榷。

中国专利201110161316.5公开了一种消减三线制热电阻测量误差的方法，该发明公开的三线制热电阻的测量方法，虽然能够大幅消减双恒流源匹配误差对热电阻采样值的影响，但是需要增加额外的控制电路，实现两个恒流源与热电阻连接关系的切换，增加测量系统复杂性，不利于温度的远程测量。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种高精度三线制热电阻测量电路。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种三线制热电阻测量电路，包括：一恒流源与该三线制热电阻连接的第一端子连接，用于为该三线制热电阻提供激励；一信号调理模块的第一输入端与该恒流源连接，该信号调理模块的第二输入端与该三线制热电阻连接的第二端子连接，该信号调理模块的第三输入端连接一直流偏置电压；该信号调理模块的输出端连接一放大电路的输入端，该放大电路的输出端连接一A/D采样器，该A/D采样器的电压与该热电阻的阻值成一线性关系。

更进一步地，该三线制热电阻的第三端子接地；该直流偏置电压接地。

更进一步地，所述信号调理模块包括一放大电路，一加法电路以及一减法电路，所述信号调理模块的放大电路的输入端与所述信号调理模块的第二输入端连接，所述信号调理模块的放大电路的输出端与所述加法电路输入端连接，所述加法电路的另一输入端与所述直流偏置电压连接，所述加法电路输出端与所述减法电路的输入端连接，所述减法电路的另一输入端与所述信号调理模块的第一输入端连接，所述减法电路的输出端与所述信号调理模块的输出端连接。

更进一步地，所述信号调理模块的放大电路的放大倍数为2倍。

更进一步地，所述信号调理模块包括第一、第二、第三集成运算放大器和电阻R1、R2、R3、R4；所述放大电路包括第四集成运算放大器和电阻R5、R6；所述第一集成运算放大器的正输入端与所述信号调理模块的第一输入端连接，输出端与所述电阻R3连接；所述第二集成运算放大器的正输入端与所述信号调理模块的第二输入端连接，输出端与所述电阻R1连接；所述第三集成运算放大器的正输入端与所述电阻R1、R2连接，其负输入端与所述电阻R3、R4连接，其输出端与所述电阻R5连接，所述电阻R2与所述直流偏置电压连接，所述第四集成运算放大器的正输入端接地，其负输入端与所述电阻R5、R6连接，其输出端与所述A/D采样器连接。

更进一步地，所述R1=R4=R，R2=R3=2R，所述直流偏置电压和由R5、R6组成的比例放大系数根据温度测量范围以及所述A/D采样器的测量量程决定。

更进一步地，该第一、第二集成运算放大器为电压跟随器。

与现有技术相比较，现有技术对热电阻的测量采用双恒流源激励，存在由双恒流源的不一致性造成的测量误差；现有技术采用多路选择开关（MUX）切换双恒流源与热电阻的连接关系，前后测量两次热电阻，并计算平均值的方法，来解决双恒流源不一致性造成的测量误差问题，额外增加控制电路的复杂性，不利于温度的远程测量；

本发明提出的测量电路采用单恒流源作为热电阻的激励，避免了由双恒流源的不一致性造成的测量误差，无需增加额外的控制电路，实现方法更简单、应用更灵活；本发明采用适当的直流偏置电压和电压放大系数，可以满量程利用采样电路的采样量程，进一步提高温度测量精度。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是三线制不平衡电桥法测量原理图；

图2是三线制双恒流源法测量原理图；

图3是本发明所涉及的高精度三线制热电阻测量电路的原理图；

图4是本发明所涉及的高精度三线制热电阻测量电路的线路结构图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

现有技术对热电阻的测量采用双恒流源激励，存在由双恒流源的不一致性造成的测量误差；现有技术采用多路选择开关（MUX）切换双恒流源与热电阻的连接关系，前后测量两次热电阻，并计算平均值的方法，来解决双恒流源不一致性造成的测量误差问题，额外增加控制电路的复杂性，不利于温度的远程测量。

为了克服现有技术中所存在的缺陷，本发明所提供一种单恒流源作为热电阻的激励的三线制热电阻测量电路。图3是本发明所涉及的高精度三线制热电阻测量电路的原理图。如图3中所示，A、B、C是通过连接导线引出的三线制热电阻的三个接线端子；Rt是热电阻的阻值；r是三根截面积和长度都相等的连接导线的阻值；M是信号调理模块，内部包括一放大电路S1、加法电路S2及减法电路S3；S1是放大倍数为2的放大电路；S2是加法电路；S3是减法电路；S4是放大倍数为ß的放大电路；Voff是高精度直流偏置电压；VADC是输出电压，供采样电路采样；ADC是A/D采样器。

高精度恒流源I输出的电流激励从热电阻的接线端子A流入，经过A端的r、热电阻Rt和C端的r后，从接线端子C流出，端子C接地；端子B接信号调理模块M内部放大电路S1的输入端，Voff和S1的输出信号接M内部加法电路S2的输入端；端子A和S2的输出接M内部减法电路S3的输入端；S3的输出信号通过放大倍数为ß的放大电路S4后，将放大后的信号VADC输出至A/D采样器ADC，供ADC采样。

本电路工作时，由集成运算放大器的特性可知，集成运放的输入阻抗非常高（几十兆欧姆以上），可以计算得出A端和B端的电压：

放大电路S1输出的电压为：

加法电路S2输出的电压为：

减法电路S3输出的电压为：

ADC的输入电压，即放大电路S4输出的电压为：

可以得出结论，最终输出给ADC采样器的电压与Rt成线性关系。

Voff的存在可以给输出电压VADC适当的直流偏置电压。测量温度的变化导致Rt值的变化，导致VADC在一定范围内变化。选择适当的放大系数ß，使输出电压的变化范围能够覆盖ADC的测量量程，可以满量程利用ADC，避免ADC量程的浪费，进一步提高测量精度。

下面结合附图进一步说明本发明的实施例：

图4为本发明提出的一种高精度三线制热电阻测量电路的实施例。

I为高精度恒流源，A、B、C为通过连接导线引出的三线制热电阻的三个接线端子，Rt为Pt100热电阻在温度为t ℃时的阻值，r为三根截面积和长度都相等的连接导线的阻值，R1、R2、R3、R4、R5和R6为精密电阻，U1、U2、U3、U4为集成运算放大器，Voff为高精度直流偏置电压，ADC为A/D采样器。其中，R1=R4=R，R2=R3=2R，Voff的大小和由R5、R6组成的比例放大系数根据温度测量范围以及ADC的测量量程适当选取。

高精度恒流源I提供的电流激励从热电阻的接线端子A流入，经过A端的r、热电阻Rt和C端的r后，从接线端子C流出，端子C接地。

集成运算放大器U1、U2为电压跟随器，它们的输出电压分别为：

由R1、R2、R3、R4、Voff、集成运算放大器U3组成的信号调理模块输出电压为：

，即

由R5、R6和U4组成的反相比例运算放大电路输出的电压，即ADC的输入电压为：

Pt100铂电阻温度传感器在0℃时的阻值R0=100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/ ℃，即在测量温度为t℃时，Rt的值为：

所以

取Voff=I·R0得

若选取的恒流源I=1mA，ADC量程为0~+5V，环境温度t变化范围为0~+100℃，此时VADC的变化范围为0~-19.255ß（mV），选择合适的R5、R6，使ß= -R6/R5=-259.67，这时VADC的输出范围为0~+5V，正好满量程利用ADC，避免了ADC量程的浪费，进一步提高了测量精度。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种三线制热电阻测量电路，其特征在于，包括：一恒流源与所述三线制热电阻连接的第一端子连接，用于为所述三线制热电阻提供激励；一信号调理模块的第一输入端与所述恒流源连接，所述信号调理模块的第二输入端与所述三线制热电阻连接的第二端子连接，所述信号调理模块的第三输入端连接一直流偏置电压；所述信号调理模块的输出端连接一放大电路的输入端，所述放大电路的输出端连接一A/D采样器，所述A/D采样器的电压与所述热电阻的阻值成一线性关系。

2.如权利要求1所述的三线制热电阻测量电路，其特征在于，所述三线制热电阻的第三端子接地；所述直流偏置电压接地。

3.如权利要求1所述的三线制热电阻测量电路，其特征在于，所述信号调理模块包括一放大电路，一加法电路以及一减法电路，所述信号调理模块的放大电路的输入端与所述信号调理模块的第二输入端连接，所述信号调理模块的放大电路的输出端与所述加法电路输入端连接，所述加法电路的另一输入端与所述直流偏置电压连接，所述加法电路输出端与所述减法电路的输入端连接，所述减法电路的另一输入端与所述信号调理模块的第一输入端连接，所述减法电路的输出端与所述信号调理模块的输出端连接。

4.如权利要求3所述的三线制热电阻测量电路，其特征在于，所述信号调理模块的放大电路的放大倍数为2倍。

5.如权利要求1所述的三线制热电阻测量电路，其特征在于，所述信号调理模块包括第一、第二、第三集成运算放大器和电阻R1、R2、R3、R4；所述放大电路包括第四集成运算放大器和电阻R5、R6；所述第一集成运算放大器的正输入端与所述信号调理模块的第一输入端连接，输出端与所述电阻R3连接；所述第二集成运算放大器的正输入端与所述信号调理模块的第二输入端连接，输出端与所述电阻R1连接；所述第三集成运算放大器的正输入端与所述电阻R1、R2连接，其负输入端与所述电阻R3、R4连接，其输出端与所述电阻R5连接，所述电阻R2与所述直流偏置电压连接，所述第四集成运算放大器的正输入端接地，其负输入端与所述电阻R5、R6连接，其输出端与所述A/D采样器连接。

6.如权利要求5所述的三线制热电阻测量电路，其特征在于，所述R1=R4=R，R2=R3=2R，所述直流偏置电压和由R5、R6组成的比例放大系数根据温度测量范围以及所述A/D采样器的测量量程决定。

7.如权利要求5所述的三线制热电阻测量电路，其特征在于，所述第一、第二集成运算放大器为电压跟随器。