CN106687785A - 采用单电流源电流分流器的电阻温度检测 - Google Patents

Abstract

RTD测量装置包括与单电流源相连接的电流分流器。电流分流器把来自电流源的电流分为两个电流，并且连续监测该两个电流且调节它们为相同的值。

Description

采用单电流源电流分流器的电阻温度检测

技术领域

本技术领域一般涉及用于电阻器热装置的测量的系统和方法，并且更具体地涉及使用三线装置的测量。

背景技术

由于不能以少于四线来进行开尔文连接的事实，在与四线电阻温度检测器(RTD)相比时，三线RTD要求更复杂的测量电路以便补偿线路电压降。存在若干补偿方法：第一种方法形成一个励磁电流并且进行两个电压测量。在硬件（误差放大器）或软件中必须进行计算以便组合电压。两种电压必须被测量，并且一个电流必须是众所周知的或可测量的。

第二种方法使用两个相等电流并且进行一个电压测量。不要求计算因为电流抵消线路降但是两个电流必须被匹配并且电压必须被测量且电流必须是已知的或可测量的。存在具有若干变化的其他方法，其中一个电流采用各种开关被时分复用，使得时分复用电压测量能够测量RTD电压和线路降电压。该方法要求硬件或软件计算用于补偿。

使用两个相等电流的第二种方法通常是优选的，因为它不要求复杂的计算。尝试了使用第二种方法实现测量。一种途径形成两个良好匹配并且众所周知的电流源，并且然后进行电压测量。另一种途径使用两个良好匹配但未众所周知的电流源并且然后进行电压测量和电流测量。这两种途径都要求两个由复杂电路系统支持的良好匹配的电流源，或者依赖IC制造过程来调节难以以高精度控制的参数。

因此, 本发明主要涉及的正是实现RTD的测量而不要求复杂计算或两个良好匹配的电流源的系统和方法。

发明内容

在一个实施例中，本发明是用于电阻温度检测器(RTD)的测量的设备。该设备包括电流分流器。电流分流器与电流源相连接，并从电流源接收源电流。电流分流器也提供在第一电流路径上的第一电流和在第二电流路径上的第二电流。第一电流路径与RTD的第一端相连接，并且第二电流路径与RTD的第二端相连接。第一电流和第二电流由电流分流器调节。控制信号可用来控制电流分流器。

在另一个实施例中，本发明是用于测量RTD装置的DC电流分流器。DC电流分流器包括与电流源相连接的第三电阻器、与第三电阻器和第一电阻器相连接并由来自外部源的控制信号控制的第一晶体管、与电流源相连接的第四电阻器、与第四电阻器和第二电阻器相连接的第二晶体管以及与第三电阻器相连接并且与第四电阻器相连接且将输出电压输出以便控制第二晶体管的运算放大器。

在另一个实施例，本发明是用于测量RTD装置的AC电流分流器。AC电流分流器包括与电流源相连接的第一开关、与电流源相连接的第二开关、用于接收控制信号的输入和用于接收控制信号和向第二开关输出反控制信号的反相器。控制开关控制第一开关，并且反控制信号控制第二开关。

在又一个实施例，本发明是用于测量电阻器热装置(RTD)的方法。该方法包括通过电流分流器接收源电流、通过电流分流器生成第一电流和第二电流、通过电流分流器调节第一电流和第二电流、测量第一电流和测量跨RTD的电压。

前面广义上概述了各种实施例的一些方面和特征，其应解释为只说明本公开的各种潜在应用。其他有益结果能够通过将所公开的信息以不同的方式应用或通过组合所公开的实施例的各种方面来获得。因此，除了由权利要求书限制的范围外，其他方面和更综合理解还可通过参照结合附图所进行的示范实施例的详细描述来获得。

附图说明

图1是根据本发明的示意图；

图2是根据本发明的DC实现；

图3是根据本发明的AC实现；

图4图示根据本发明或一个实施例的用于测量RTD的温度的过程；

图5图示用于控制本发明的电流分流器的过程；

图6是本发明的AC实现的备选实施例。

具体实施方式

如所要求的，本文公开详细的实施例。必须理解，所公开的实施例只是各种并且备选形式的示范。如本文所使用的，词语“示范”可扩张地用来表示用作说明、标本、模型或模式的实施例。在本说明书中可互换使用运算放大器（op amp）和误差放大器。图不一定是按比例的并且一些特征可被夸大或最小化以便示出特定组件的细节。在其他实例中，为具有本领域的普通技能的那些人员已知的众所周知的组件，系统，材料或方法未详细描述以便避免模糊本公开。因此，本文公开的具体结构和功能细节不要解释为限制而是只解释为用于权利要求的基础并且解释为用于教导本领域技术人员的代表基础。

本发明引入连接到单电流源并将单源电流分为两个电流的系统和方法。系统连续调节电流以便确保两个电流基本上是相同的。第一电流通过RTD并且与第二电流在RTD后的节点处合并。第一电流被测量并且跨RTD的电压也被测量。在知道第一电流和跨RTD的电压之后,RTD的电阻易于被确定并且RTD的温度使用RTD的电阻通过图表来获得。

图1是根据本发明的电路的示意图100。电路100包含与电流分流器104相连接的电流源102。来自电流分流器104的第一电流通过包含螺钉106和RTD 112的第一路径。来自电流分流器104的第二电流通过包含螺钉108的第二路径，并且与第一电流合并,且所合并的电流流经螺钉110。电流分流器104把来自电流源102的源电流分开，并且连续调节且将第一和第二电流保持基本上相同。

在使用图1中的电路时，在螺钉106和108之间测量的跨RTD 112的电压V能够易于被确定。

其中， -来自电流源102的电流；

RW-螺钉和RTD之间的线路的电阻；

RRTD-RTD的电阻；

RTD线路具有相等长度，并且三条线路的电阻基本上是相同的。

等式（1）能够被简化为：

确定RRTD之后，基于RTD的热特性能够获得RTD的温度。

图2是实现示意图100的电路200。电流源102与DC电流分流器201相连接。DC电流分流器201包含两个电流路径。第一电流路径包含电阻器202、工作在饱和区的MOSFET 212以及二极管214,以及第二电流路径包含电阻器204、由电流控制器203控制的MOSFET 218以及二极管216 。电流控制器203包括与第一电流路径和第二电流路径相连接的误差放大器210。电流控制器203还与第一电压源Vcc和第二电压源Vee相连接。误差放大器210的一个输入通过偏压电阻器206与Vcc相连接，而误差放大器210的其他输入通过另一个偏压电阻器208与Vee相连接。MOSFET 212由外部控制逻辑（未示出）控制。电流控制器203输出控制MOSFET 218的电压，并且MOSFET 218工作在线性区（三极管模式）中。由电流控制器203输出的电压根据通过第一电流路径和第二电流路径的电流中的差而变化。当电阻器204中的电流小于电阻器202中的电流时，来自电流控制器203的电压降低，这增加MOSFET 218中的过载(overdrive)电压，这又增加MOSFET 218的漏极电流。当电阻器204中的电流大于电阻器202中的电流，来自电流控制器203的电压增加，这降低了MOSFET 218的过载电压，这又降低MOSFET 218的漏极电流。这描述允许电流控制器203形成与第一电流相等的第二电流的负反馈。

来自第一电流路径的电流通过电阻器218、螺钉106和RTD 112。来自第二电流路径的电流通过电阻器220和螺钉108，并且与来自第一电流路径的电流合并。流经电阻器218的电流被测量并且跨螺钉106和108的电压V也被测量。在知道电流和电压V之后, RTD的电阻值R能够易于被确定并且RTD的温度T能够从RTD的热特性来获得。

当MOSFET 212被外部控制逻辑（未示出）停用时，第一电流路径上的电流被中断并且停止流到RTD中。偏压电阻器206和208提示(tip)误差放大器输入，使得误差放大器210输出停用MOSFET 218,这中断第二电流路径上的的电流。二极管214和216完成212和218的双向阻塞操作。

如图6中示意图600所示的，能够可选去除MOSFET 212。当从电流分流器602中去除MOSFET 212时，电流分流器602不能被停用,如上所述的；然而，电流分流器602将与上面所述的相同方式地操作。

图3是根据示意图100的备选实施例的电路300。电流源102与AC电流分流器301相连接。AC电流分流器301从外部控制逻辑（未示出）接收控制信号306，并且输出两个电流。AC电流分流器301提供第一电流路径和第二电流路径。第一电流路径将电流源102和第一开关302相连接。第二电流路径将电流源102和第二开关304相连接。第一开关302由控制信号306控制，并且第二开关304由作为通过反相器308之后的控制信号306的反信号控制306控制。第一开关302和第二开关304交替工作，使得一个传导电流而另一个被关闭。控制信号306的极性以高频率切换，从而使第一开关302和第二开关304快速转换并且因此使来自电流源102的电流在第一电流路径和第二电流路径上交替流动。

流经电阻器218的电流能够采用电流计量器来测量,电流计量器配备有低通滤波器以便滤掉测量结果的切换方面。跨螺钉106和108的电压V也采用电压计量器来测量，电压计量器配备有低通滤波器以便滤掉测量结果的切换方面。与图2所示的电路类似，在使用所测量的电流和电压V来确定跨RTD 112的电阻R之后能够获得RTD 112的温度。

图4是用于测量RTD温度的过程400。电流分流器与电流源相连接,步骤402,并且电流分流器把来自电流源的电流分为两个电流,步骤404。电流分流器调节电流,步骤406，以便确保两个电流基本上处于相同水平。测量电流中的一个,步骤408，并且也测量跨RTD的电压,步骤410。因为已知电压V和电流，确定RTD的电阻R,步骤412。在确定电阻R之后，能够通过查表获得RTD的温度T,步骤414。备选地，如果电流分流器与提供已知电流的电流源相连接，则通过RTD的电流将会是已知电流的一半，并且跨RTD的电压的一个测量将会需要确定RTD的电阻R。

图5是操作电流分流器的过程500。电流分流器与电流源相连接并接收源电流,步骤502。开启电流分流器中的第一电流开关,步骤504,以便允许第一电流流经第一电流路径。通过电流控制器测量流经第一电流路径的第一电流与流经第二电流路径的第二电流之间的差,步骤506。根据第一电流和第二电流之间的差，电流分流器中的电流控制器输出控制电压,步骤508，并且控制电压控制第二电流开关,步骤510。流经第二电流路径的第二电流根据第二电流开关而变化。如果没有关闭第一电流开关,步骤512，则将重复步骤506、508和510，并且连续调节控制电压以便确保第一电流和第二电流基本上是相同的。

如果关闭了第一电流开关，这使第一电流停止，则电流控制器测量第一电流与第二电流之间的差,步骤514，并且电流控制器输出控制信号,步骤516，这关闭第二电流开关,步骤518。

本发明允许单个标准误差放大器形成两个相等的电流，这是分别为现有技术的单电流源和双电流源方法的第一和第二方法的混合。来自本发明的两个电流方法具有通过重型燃气涡轮机使用的共享线路的接地RTD连接的能力。本发明的电路200的精度仅通过匹配电阻器202与204、误差放大器210的偏移误差电压和MOSFET 218的三极管模式来限制。

本发明是一种混合法，并且它是更简单的且提高了RTD测量的精度。单源电流被要求并且必须是众所周知的或可测量的。单op amp（误差放大器）电路形成电流分流器,其形成两个电流路径，其中每个电流为源电流量值的一半。测量一个电压。备选地，也可使用时分复用电流（AC）来形成两个电流路径。这个改进的混合法的优点在于对于单op amp的成本，不要求补偿数学(要求一个或多个op amp)，只必须测量一个电压，并且只有一个电流必须是已知的或可测量的。

本书面描述使用包含最佳模式的示例来公开本发明，并且，还允许本领域任何技术人员实践本发明，包含制作并使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的可取得的专利范围由权利要求书定义，并且，可以包含本领域技术人员所想到的其他示例。如果这类其他示例具有没有不同于权利要求书的文字语言的结构元件，或者如果它们包含具有与权利要求书的文字语言的无实质差异的等效结构元件，则它们意图处于权利要求书的范围之内。在不同实施例中所述的特征和装置可组合或互换正是在本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于测量电阻温度检测器（RTD）的设备,包括：

电流分流器，其与电流源相连接，所述电流分流器从所述电流源接收源电流并且提供第一电流路径上的第一电流和第二电流路径上的第二电流,

其中，所述第一电流和所述第二电流由所述电流分流器调节，并且所述第一电流路径和所述第二电流路径与所述RTD相连接。

2. 如权利要求1所述的设备，还包括：

第一电阻器，其与所述第一电流路径相连接并且与所述RTD的第一端相连接；以及

第二电阻器，其与所述第二电流路径相连接并且与所述RTD的第二端相连接。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述电流分流器从外部源接收控制信号用于所述电流分流器。

4.如权利要求2所述的设备，其中所述电流分流器还包括：

第三电阻器，其与所述电流源相连接；

第一晶体管，其与所述第三电阻器和所述第一电阻器相连接，并且由来自所述外部源的所述控制信号控制；

第四电阻器，其与所述电流源相连接；

第二晶体管，其与所述第四电阻器和所述第二电阻器相连接；以及

运算放大器，其与所述第三电阻器相连接并且与所述第四电阻器相连接，且将输出电压输出以便控制所述第二晶体管。

5. 如权利要求4所述的设备，其中所述电流分流器还包括：

第一二极管，其与所述第一晶体管和所述第一电阻器相连接；以及

第二二极管，其与所述第二晶体管和所述第二电阻器相连接,

其中，所述第一电流路径包括所述第三电阻器、所述第一晶体管和所述第一二极管，并且所述第二电流路径包括所述第四电阻器、所述第二晶体管和所述第二二极管。

6.如权利要求4所述的设备，其中所述第一晶体管工作在饱和区中。

7.如权利要求4所述的设备，其中所述第二晶体管工作在欧姆区中。

8.如权利要求4所述的设备，其中所述电流分流器还包括与所述运算放大器的输入相连接的两个偏压电阻器。

9. 如权利要求1所述的设备，其中所述电流分流器还包括：

第一开关，其与所述第一电流路径相连接并且与所述RTD的第一端相连接；以及

第二开关，其与所述第二电流路径相连接并且与所述RTD的第二端相连接，

其中，所述第一开关和所述第二开关交替工作。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述电流分流器还包括反相器，其接收所述控制信号并向所述第二开关提供反控制信号。

11.如权利要求1所述的设备，其中所述电流分流器还包括：

第三电阻器，其与所述电流源相连接；

第四电阻器，其与所述电流源相连接；

第二晶体管，其与所述第四电阻器和所述第二电阻器相连接；以及

运算放大器，其与所述第三电阻器相连接并且与所述第四电阻器相连接，且将输出电压输出以便控制所述第二晶体管。

12. 如权利要求11所述的设备，其中所述电流分流器还包括：

第一二极管，其与所述第一电阻器和所述第三电阻器相连接；以及

第二二极管，其与所述第二晶体管和所述第二电阻器相连接，

其中所述第一电流路径包括所述第三电阻器和所述第一二极管，并且所述第二电流路径包括所述第四电阻器、所述第二晶体管和所述第二二极管。

13.如权利要求11所述的设备，其中所述第二晶体管工作在欧姆区中。

14.如权利要求1所述的设备，其中所述电流分流器还包括：

第一开关，其与所述电流源相连接；

第二开关，其与所述电流源相连接；

输入，其用于接收所述控制信号；以及

反相器，其用于接收所述控制信号并向所述第二开关输出反控制信号，

其中，所述控制开关控制所述第一开关，并且所述反控制信号控制所述第二开关。

15. 如权利要求14所述的设备，其中所述电流分流器还包括：

第一二极管，其与所述第一开关和所述第一电阻器相连接；以及

第二二极管，其与所述第二开关和所述第二电阻器相连接，

其中所述第一电流路径包括所述第一开关和所述第一二极管，并且所述第二电流路径包括所述第二开关和所述第二电阻器。

16.一种用于测量电阻器热装置(RTD)的方法,包括以下步骤：

通过电流分流器接收源电流；

通过所述电流分流器生成第一电流和第二电流；

通过所述电流分流器调节所述第一电流和所述第二电流；

测量所述第一电流；以及

测量跨所述RTD的电压。

17. 如权利要求16所述的方法,还包括以下步骤：

基于所测量的电压确定所述RTD的电阻；以及

基于所述RTD的所述电阻获得所述RTD的温度。

18.如权利要求16所述的方法,还包括从外部源接收第一控制信号用于开启所述电流分流器的步骤。

19.如权利要求16所述的方法,其中调节所述第一电流和所述第二电流的步骤还包括以下步骤：

开启第一电流开关；

测量所述第一电流和所述第二电流之间的差；

基于所测量的所述差生成第二控制电压；以及

采用所述第二控制电压来控制第二电流开关。

20.如权利要求16所述的方法,还包括以下步骤:

关闭第一电流开关；

测量所述第一电流与所述第二电流之间的差；

基于所测量的所述差生成第二控制电压；以及

采用所述第二控制电压来关闭第二电流开关。