CN1077684C

CN1077684C - 温度测量电路

Info

Publication number: CN1077684C
Application number: CN 96113066
Authority: CN
Inventors: 加藤裕之
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1995-10-11
Filing date: 1996-10-08
Publication date: 2002-01-09
Anticipated expiration: 2016-10-08
Also published as: JP3222367B2; CN1151521A; JPH09105681A

Abstract

使用价格便宜而且精度高的双电源运算放大器放大与测温电阻器的电阻变化相应的微小电压。在温度测量电路中，若来自恒流源2a的电流流经测温电阻器R并且测温电阻器R的电阻值发生变化，则该电阻值的变化变成电压的变化，并输入到双电源运算放大器4。因为由抵消用的电阻R₄所产生的电压降的值加在测温电阻器R的端子电压上，所以设定宽的运算放大器4的输入电压范围，使用可以将输入到运算放大器4的电压设定在双电源运算放大器4的可以工作的范围的、价格便宜而且精度高的双电源运算放大器4。

Description

温度测量电路

本发明涉及使用测温电阻器和热敏电阻(以下总称测温电阻器)作为温度传感器并输出对应于所测量的温度的放大器输出电压的温度测量电路。

图5是表示以往的温度测量电路的一例的电路图，图中，1是放大对应于测温电阻器R的电阻变化的电压的单电源(+15V)的运算放大器，2a、2b是向测温电阻器R等供给电流I的恒流源，R₂、R₃是确定设定运算放大器1的放大系数等电路常数的电阻，r是布线电阻。

接下来说明有关(温度测量电路的)动作。

测温电阻器R其电阻值随着周围的温度变化而变化。因此，若测温电阻器R的电阻值发生变化，则由该测温电阻器R所产生的电压降成分也发生变化。为此，通过从恒流源2a供给恒定的电流给测温电阻器R，则所述电阻的变化变换(R-V变换)为电压的变化，该变化被输入到单电源的运算放大器1。单电源(+15V)的运算电路1将由测温电阻器R所产生的电压降成分进行放大并输出。为此，单电源运算电路1的输出电压就成为对应于所述测温电阻器R的周围温度的值。

这里，测温电阻器R的电阻值若对温度发生如图6(A)中所示的线性变化，则通过所述的R-V变换变成如图6(B)所示的那样相对于电阻值的变化的大致呈线性的电压的变化，该电压变化通过单电源运算放大器1被放大，成为如图6(C)所示的那样相对于温度的线性的电压变化并从运算放大器1向外界输出。

再者，因为与由恒流源2b所供给的电流I比较来自运算放大器1的电流小，将其忽略，又由于R＞＞r，故将布线电阻视为0，若假定运算放大器1的增益为G，则运算放大器1的输出电压V0成为V0＝R×I×G。另外，在图6(B)、(C)所示的特性图中可知，斜线部分表示是单电源的运算放大器1不能工作的范围的非工作范围，但R-V变换后的电压和双电源的运算放大器1的输出电压都不进入上述不可能工作范围，单电源运算放大器1充分发挥其特性而工作。

但是，若如上述那样使用测温电阻器R作为温度传感器，由于由上述的电阻R的变化引起电压的变化是微小信号，故下一级单电源运算放大器1有必要使用高精度的放大器。但是，高精度单电源运算放大器1一般价格昂贵，其结果温度测量电路的制造费用昂贵。另一方面，若使用价格低廉的高精度双电源运算放大器(未图示)，则能低价制造并提供温度测量电路。

因此，在将图5所示的以往的温度测量电路中使用的单电源运算放大器1替换成双电源运算放大器时，测温电阻器R如图7(A)所示那样其电阻值相对于温度而变化。这个电阻值的变化通过与上述同样的R-V变换变成如图7(B)所示的相对于温度的电压变化，并输入到双电源运算放大器中。该电压变化通过双电源运算放大器被放大，成为如图7(C)所示的那样对应于所述温度的电压后从运算放大器向外界输出。

这里，在使用铂Pt100作为测温电阻器R的情况下，当输入温度范围在-200℃～100℃时，由于测温电阻器R的输出值为18.5Ω-139.64Ω，所以运算放大器的输出电压为1.32V-10V。其中，这时的放大系数是71.6倍(假定最大输入电压为10V那样的放大系数)。假定供给测温电阻器R的电流为1mA。因此，作为运算放大器的规格必须满足上述的数值的规格，但高精度的双电源运算放大器和高精度的单电源运算放大器的规格变成图8所示那样的图表。

如该图8的图表所示那样。当运算放大器的电源电压为0.15V、测温电阻器R在-200℃时为18.5Ω时，运算放大器的输出为1.32V，但这么一来，输入电压过低，不符合图8所示的高精度双电源运算放大器的规格(输入/输出规格)，在图5所示的以往电路中不能使用双电源运算放大器。

不能使用这6种双电源运算放大器的理由也被表示在图7(B)的特性图中，在该特性图中用斜线表示的范围是双电源运算放大器的不能工作的范围，使测温电阻器R的电阻变化换成电压的变化的结果，全部进入上述斜线范围。因此，如图7(C)所示的那样，双电源运算放大器的输出电压一部分也进入了不能工作的范围，在以往的温度测量电路的结构中就不能使价格低谦的双电源运算放大器实行规格化。

图9是表示以往的温度测量电路的其他例子的电路图，图中，单电源运算放大器1的输入一侧连接恒压源3a、3b。其他构成与图5所示的以往例子的温度测量电路相同，因为同样的部件使用同样的符号，故在此省略了重复说明。

接下来对该电路的动作进行说明。

例如如图10(A)所示那样，测温电阻器R其电阻值随周围的温度变化而变化。这时，由于在单电源的运算放大器1的输入一侧连接恒定电压Vref的恒压源3a，所以流过测温电阻器R的电流为Vref/(R＋R₁)。因此，在单电源运算放大器1中输入了相对于图10(B)所示的温度的非线性电压R×Vref/(R＋R₁)。若假定单电源运算放大器1的增益为G，则该运算放大器1的输出电压V₀成为V₀＝R×Vref/(R＋R₁)×G，可得到相对于图10(C)所示的温度的非线性输出电压。

其中，与由恒压源3b供给的电流I比较，因为来自运算放大器1的电流值小，将其忽略，又因为R＞＞r，将布线电阻r视为0而将其忽略了。这时，如图10(B)、(C)所示的那样可知，对应于温度变化的电压变化成为非线性，但R-V变换后的电压和放大器输出电压两者都进入单电源运算放大器1的可以工作的范围，工作起来没有问题。

在该例子中也想使用价格便宜的双电源运算放大器(未图示)以代替图5的以往电路中使用的价格昂贵、高精度的单电源运算放大器1，但是，当在图9的电路中使用了双电源运算放大器时，测温电阻器R的电阻变化如图11(A)所示，同上述的情况相同，但将电阻的变化实行R-V变换后的电压变化变成图11(B)所示的特性图，进入了双电源运算放大器的不能工作的范围(图中斜线范围)。因此可知，双电源运算放大器的输出电压也如图11(C)所示其大部分进入了该运算放大器的不能工作的范围(图中斜线范围)，因而不能使用价格便宜的双电源运算放大器。

因为将以往的测温电阻器作为温度传感器的温度测量电路像以上那样被构成，又由于必须放大相应于测温电阻器R的电阻变化的微小电压的同时，该测温电阻器R在-200℃只有十几欧，微小电压低，有必要使用高精度的单电源运算放大器1放大微小电压，不能使用，若输入电压太低不能正常工作的，精度高，价格便宜的双电源运算放大器。因而存在形成了温度测量电路的制造费用高的课题。

因此，本发明就是为解决上述那样的课题而研制出来的，目的是获得能够使用价格便宜而且精确度高的双电源运算放大器放大相应于测温电阻器的电阻变化的微小电压的温度测量电路。

本发明提供了一种温度测量电路，具有其电阻值随温度变化而变化的温度传感器，在所述温度传感器上外加电压或供给电流的第1供电源和第2供电源，以及将所述温度传感器的电压降成分作为输入电压的双电源运算放大器和在上述温度传感器与接地电位之间连接的电阻，其特征在于，上述电阻是用于从所述第1和第2供电源供给电压或电流以便产生与在所述温度传感器中产生的电压降的方向相同的电压降的同时使所述温度传感器的端子电压相对接地电位上升的用于抵消的电阻。

图1是表示根据本发明的实施形态1的温度测量电路结构图。

图2是在图1中示出的温度测量电路各部分的特性图。

图3是表示根据本发明的实施形态2的温度测量电路的结构图。

图4是在图3中所示的温度测量电路各部分的特性图。

图5是表示以往温度测量电路一例的结构图。

图6是在图5中所示的温度测量电路各部分的特性图。

图7是使用了双电源运算放大器的以往的温度测量电路各部分的特性图。

图8是表示双电源运算放大器和单电源运算放大器的规格的图表。

图9是表示以往的温度测量电路的其他例的结构图。

图10是图9中所示的温度测量电路各部分的特性图。

图11是使用双电源运算放大器的以往的温度测量电路各部分的特性图。

以下，说明本发明的一种形态。

实施形态1。

图1是表示根据本发明的实施形态1的温度测量电路的构成的电路图，图中，R是例如三线式热敏电阻和测温电阻器(以下称测温电阻器)，4是高精度的双电源运算放大器，它将输入对应于测温电阻器R的电阻值的电压降成分的电压，并将该输入电压放大，再将放大了的电压向外界输出。R₄是为使测温电阻器R的电压降成分的电压全部上升并进行抵消(补偿)，而插入双电源运算放大器4′的输入一侧与接地电位之间的抵消用的电阻。其中，由于与以往例相同的部件使用相同的符号，所以关于相同结构的部件的说明从略。

接下来，说明该电路的工作。

使用了三线式的测温电阻器R时，作为其端子的1根线与双电源的运算放大器4的“+”号一侧的输入线连接，作为另一个端子的1根线与该运算放大器1的“-”号一侧的输入线连接，另外作为剩下的端子的1根线通过抵消用的电阻R₄与接地电位连接。

这样连接的测温电阻器R其电阻值随周围温度而变化。由于向该测温电阻器R供给来自作为供电源的恒流源2a的电流I，所以，测温电阻器R的电阻值的变化变成在该电阻器上的电压降的变化并输入到运算放大器4。运算放大器4放大所输入的电压，将将放大了的电压向外界输出。

在该实施形态1中使用的测温电阻器R与以往例中使用了的测温电阻器相同，在-200℃时具有十几欧的电阻值，但由于在插入在该测温电阻器R和接地(电位)之间的抵消用的电阻R₄上有来自2个恒流源总计21的电流流过，在测温电阻器R和抵消用的电阻R₄′的连接点上的电压只以2I×R₄所得到的值上升，测温电阻器R的电压降成分(部分)即R×I与该上升了的电压相加，并将所得到的值输入到双电源运算放大器4中。因此，若求出这时双电源运算放大器4的输出电压V₀，则该输出电压成为在V₀＝R×I×G＋2R₄×I等式中所示的值。其中，由于R＞＞r，R₄＞＞r，所以将认为r＝0，同时，与来自恒流源2b的电流I比较，由于来自运算放大器4的电流小，将该电流忽略，并假定运算放大器4的增益(gain)为G。

图2是表示本例的测温电阻器R的相对于温度的电阻的特性的例子、测温电阻器R的电阻值的变化变换成电压时的相对于温度的电压的特性的例子以及运算放大器4的相对于测试的输出电压的特性的例子的特性图。

如图2(A)所示，本实施形态的测温电阻器R在-200℃时有十几欧的电阻值，随着温度的上升，电阻值大致呈线性地增大。将该测温电阻器R的电阻值的变化进行了R-V变换的特性是图2(B)。这时，由于像上述的那样，有抵消用的电阻R₄，所以在-200℃时有3.5V电压，可见，该电压随温度的上升呈线性地增大，在100℃时变成3.64V的电压。因此，在双电源运算放大器4中输入了3.5V-3.64V电压，如图2(C)所示，放大器输出电压在-200℃时也是3.5V，随着温度上升大致呈线性地增大，在100℃时变成12.2V。

结果，如图(B)、(C)中所说明了地表示那样，由于将测温电阻器R的电阻值的变化经R-V(电阻-电压)变换后所得到的电压和放大器的输出电压二者都进入双电源运算放大器4的可以工作的输入/输出电压范围，故双电源运算放大器4能正常地工作，并输出对应于测温电阻器R的周围温度的电压。

另外，在上述的实施形态1的例子中，若选取2V程度的由抵消用的电阻R₄产生的电压降成分，即，如果将作为电压降获得约2V的电阻值设定为抵消用的电阻R₄的值，就可以使用双电源运算放大器4正确地测定最低测定温度(在该例中为-200℃)以上的温度。

若根据本实施形态1的温度测量电路，由于将抵消用的电阻R₄的电压降成分与测温电阻器R的端子电压相加，使测温电阻器R的电压降成分全部上升，并将附加了抵消的电压作为放大器的输入电压，则即使是使用了在-200℃时只有十几欧电阻值的测温电阻器R的情况，放大器的输入电压也能进入双电源运算放大器正常工作的输入电压范围。为此，就能在温度测量电路内使用精度高、价格便宜的双电源运算放大器4，结果就能够廉价地构成温度测量电路。

实施形态2。

图3是表示根据本发明的实施形态2的温度测量电路的结构图，图中，R是例如三线式的热敏电阻和测温电阻器(以下称测温电阻器)，4是放大并输出对应于测温电阻器R的电阻值的高精度双电源运算放大器，为了全部上升并抵消所述测温电阻器R的电压降成分，R₄是插入双电源运算放大器4的输入一侧和接地电位之间的抵消用的电阻。其中，由于与以往例相同的部件使用相同符号，故有关相同结构的部件的说明从略。

接着，说明该电路的工作。

使用了三线式的测温电阻器R时，作为其端子的1根线连接双电源运算放大器4的“+”号一侧的输入线，作为另一端子的一根线连接该运算放大器1的“-”号一侧的输入线，另外，剩下的一根线经由抵消用的电阻R₄连接接地电位。这样连接的测温电阻器R其电阻值随周围温度而变化，但由于在该测温电阻器R中外加来自作为供电源的恒压源(Vref)3a的电压，所以测温电阻器R的电阻值的变化变换为流经该测温电阻器的电流的变化，该电流的变化在测温电阻器R和抵消用的电阻R₄等中再变换成电压的变化并向运算放大器4内输入。运算放大器4放大所输入的电压并向外界输出。

在本实施形态2的温度测量电路中使用的测温电阻器R与实施形态1中使用的测温电阻器R相同，在-200℃时只有十几欧左右的电阻值，但由于在插入在该测温电阻器R和接地之间的抵消用的电阻R₄中有来自2个恒压源3a、3b的电流流过，所以，测温电阻器R和抵消用的电阻R₄的连接点的电压只上升R₄×Vref×(2×R₁＋R)/R₁×R₁＋R×(R₁＋R₄)＋2×R₁×R₄，并将测温电阻器R的电压降部分，即R×Vref×R₁/R₁×R₁＋R×(R₁＋R₄)＋2×R₁×R₄与该上升了的电压相加的值输入到双电源运算放大器4。

因此，若求出这时的双电源运算放大器4的输出电压V₀，则V下9成为V₀＝R×Vref×R₁/R₁×R₁＋R(R₁＋R₄)＋2×R₁×R₄×G＋R₄×Vref×(2×R₁＋R)/R₁×R₁＋R×(R₁＋R₄)＋2×R₁×R₄。其中，由于R＞＞r，R₄＞＞r，故将布线电阻r的电阻值视为0，同时又因为与来自恒流源的电流I比较，来自运算放大器4的电流小，故将该电流忽略，并假定运算放大器4的增益为G。

图4是表示该例的测温电阻器R的相对于温度的电阻的特性的例子，将测温电阻器R的电阻值变化变换成电压时的相对于温度的电压的特性的例子以及运算放大器4的相对于温度的输出电压的特性的例子的特性图。

如图4(A)所示，在本实施形态2中使用的测温电阻器R与在实施形态1中使用的测温电阻器R相同，在-200℃时有十几欧的电阻值，随着温度的上升，电阻值大致呈线性地增大。将该测温电阻器R的电阻值的变化进行R-V变换后的特性是图4(B)。

这时，如上述那样，由于抵消用的电阻R₄连接测温电阻器R，在-200℃时有3.5V电压，随着温度上升呈非线性地增大，并在100℃时，增大到3.64V。为此，在双电源运算放大器4中可输入3.5V-3.64V的电压，并如图4(C)所示，运算放大器4的输出电压在-200℃为3.5V，随着温度上升呈非线性地增大，在100℃时变为达到12.2V。

结果，如图4(B)、(C)明了地所示那样，由于将测温电阻器R的电阻值的变化经R-V变换后得到的电压和双电源运算放大器的输出电压二者都进入双电源运算放大器4可以工作的输入/输出电压范围，所以双电源运算放大器4能正常地工作，并输出对应于测温电阻器R周围的温度的电压。另外，在上述实施形态2的例子中，若将由抵消用的电阻R₄所产生的电压降成分选取为2V左右，即以获得2V左右作为电压降的电阻值设定抵消用的电阻R₄，就能使用双电源运算放大器4正确地测量最低测量温度(在本例中为-200℃)以上的温度。

如果根据本实施形态2的温度测量电路，由于将抵消用的电阻R₄的电压降成分与测温电阻器R的端子电压相加、使测温电阻器R的电压降成分全部上升、并将附加抵消电压作为放大器的输入电压，因此，即使是使用在-200℃时只有十几欧电阻值的测温电阻器R的情况，由于在双电源运算放大器4正常工作的输入电压范围内能够设定放大器的输入电压，因此，有可能使用精度高、价格便宜的双电源运算放大器4，结果，就能够制造并提供精度高价格便宜的温度测量电路。

另外，若根据上述的实施形态1、2的温度测量电路，则决定抵消用的电阻R₄的电阻值以便在作为测温电阻器R中测量温度的最低温度的-200℃时，使由在测温电阻器R中产生的电压降所引起的电压成为双电源运算放大器4的可以工作的输入电压范围的下限值以上。相反，预先决定抵消用的电阻R₄的电阻值，以便在测温电阻器R中测量的温度的最高温度时，使将测温电阻器R所产生的电压降的电压与所述抵消用的电阻R₄中产生的电压降成分相加，并将相加后的电压在双电源运算放大器4中放大后得出的输出电压变成该运算放大器4可以工作的输出电压范围的上限以下，从而可以调节想用测温电阻器R测量的温度范围。

本发明有以下效果。通过设定相对于电路的接地电位使测温电阻器的端子电压上升的抵消用的电阻，使基于测温电阻器的电压降的电压全部上升并抵消，就能提供使用在该电压放大方面价格便宜并且精度高的双电源运算放大器的温度测量电路。

本发明将有以下效果。通过设定相对于电路的接地电位使测量电阻器的端子电压上升的抵消用的电阻，使测温电阻器的电压降的电压全部上升并抵消，就能提供使用在电压放大方面价廉且精度高的双电源运算放大器的温度测量电路。

本发明通过设定相对于电路的接地电位使测温电阻器的端子电压上升的抵消用的电阻，使测温电阻器的电压降所产生的电压全部上升并抵消，就能够提供使用在电压放大方向价格便宜并且精度高的双电源运算放大器的温度测量电路。

Claims

1.一种温度测量电路，具有其电阻值随温度变化而变化的温度传感器，在所述温度传感器上外加电压或供给电流的第1供电源和第2供电源，以及将所述温度传感器的电压降成分作为输入电压的双电源运算放大器和在上述温度传感器与接地电位之间连接的电阻，其特征在于，上述电阻是用于从所述第1和第2供电源供给电压或电流以便产生与在所述温度传感器中产生的电压降的方向相同的电压降的同时使所述温度传感器的端子电压相对接地电位上升的用于抵消的电阻。

2.权利要求1中记载的温度测量电路，其特征在于，所述第1供电源和第2供电源是恒流源。

3.权利要求1中记载的温度测量电路，其特征在于，所述第1供电源和第2供电源是恒压源。