CN109932074A - 一种温控仪测温电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温控仪测温电路，包括输入检测电路与信号分析电路；所述输入检测电路包括模拟开关控制器、冷端补偿电路、热电偶测温电路、热电阻测温电路以及电路误差补偿电路；所述信号分析电路包括积分器、三极管、第一D触发器以及第二D触发器。采用本发明，能增加温控仪的测温宽度，提高温控仪的测温精度。

Description

一种温控仪测温电路

技术领域

本发明涉及温度测量领域，尤其涉及一种温控仪测温电路。

背景技术

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势(热电动势)，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。热电偶测量温度时要求其冷端(测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端)的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的(环境)温度变化，将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿正常。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

目前，市面上的测温仪器，大多数采用单一的测量手段，要么只用热电偶，要么只用热电阻，这样带来的不利影响就是单纯采用热电阻的测温仪器不能测量高温，单纯采用热电偶的测温仪器测量精度不高，在一些高精度测量行业，并不适用。而且，现有的测温电路，信号性能不稳定，存在一些不必要的线组损耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种温控仪测温电路，能够解决单纯采用热电阻的测温仪器不能测量高温与单纯采用热电偶的测温仪器测量精度不高所带来的问题，同时又能够减少测温损耗，提高经济效益。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种温控仪测温电路，包括输入检测电路与信号分析电路；所述输入检测电路包括模拟开关控制器、冷端补偿电路、热电偶测温电路、热电阻测温电路以及电路误差补偿电路；当采用热电偶测温时，所述模拟开关控制器的输入端分别与所述冷端补偿电路、热电偶测温电路以及电路误差补偿电路连通；当采用热电阻测温时，所述模拟开关控制器的输入端分别与所述热电阻测温电路以及电路误差补偿电路连通；所述信号分析电路包括积分器、三极管、第一D触发器以及第二D触发器；所述积分器的负输入端连接所述模拟开关控制器的输出端，所述积分器的正输入端连接所述第一D触发器的输出端，所述积分器的输出端连接所述三极管的基极；所述第一D触发器的输入端分别连接所述第一D触发器的反向输出端及所述三极管的集电极,所述第一D触发器的反向输出端连接脉冲计量端，所述第一D触发器的时钟端连接所述第二D触发器的输出端；所述第二D触发器的输入端与所述第二D触发器的反向输出端连接，所述第二D触发器的时钟端与时钟信号源连接。

优选地，所述热电偶测温电路包括热电偶、第一电容、第一电阻、第二电容、第二电阻、第三电容以及第三电阻；所述第一电容的一端接地并连接热电偶的负输入端，另一端连接电源；所述第一电阻一端连接热电偶的正输入端，另一端连接电源；所述第二电容一端连接热电偶的正输入端，另一端接地；所述第二电阻的一端连接热电偶的正输入端，另一端通过第三电容接地并通过第三电阻连接所述模拟开关控制器的输入端。

优选地，所述热电阻测温电路包括热电阻、第一电容、第四电阻、第四电容、第五电阻、第五电容以及第六电阻；所述第一电容一端接地并连接热电阻的负输入端，另一端连接电源；所述第四电阻一端连接电源，另一端连接热电阻的正输入端；所述第四电容一端连接热电阻的正输入端，另一端接地；所述第五电阻一端连接热电阻的正输入端，另一端分别通过第五电容接地以及通过第六电阻连接所述模拟开关控制器的输入端。

优选地，所述冷端补偿电路包括二极管、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻以及第六电容；所述二极管的正极接地，负极通过第七电阻连接电源；所述第八电阻一端连接二极管的负极，另一端分别通过第九电阻接地以及通过第十电阻连接所述模拟开关控制器的输入端；所述第六电容一端接地，另一端连接所述模拟开关控制器的输入端。

优选地，所述电路误差补偿电路包括补偿电阻，所述补偿电阻一端连接模拟开关控制器的输入端，另一端接地。

优选地，所述信号分析电路还包括第一限流电阻与第二限流电阻，所述积分器的负输入端通过第一限流电阻连接模拟开关控制器的输出端并通过第二限流电阻连接电源。

优选地，所述输入检测电路与信号分析电路之间设有电压跟随器，所述电压跟随器的正输入端连接模拟开关控制器的输出端，所述电压跟随器的输出端通过第一限流电阻连接积分器的负输入端。

优选地，所述信号分析电路还包括第三限流电阻，所述积分器输出端通过第三限流电阻连接三极管的基极。

优选地，所述信号分析电路还包括第一分压电阻与第二分压电阻，所述积分器的正输入端通过第一分压电阻连接第一D触发器的输出端并通过第二分压电阻接地。

优选地，所述信号分析电路还包括第三分压电阻与第四分压电阻，所述第一D触发器的输入端通过第三分压电阻连接第一D触发器的反向输出端，所述第一D触发器的反向输出端通过第四分压电阻接地。

实施本发明的有益效果在于：

本发明通过模拟开关控制器既能够选择热电偶测温，又能选择热电阻测温，具备测温范围宽，测量精度高，电路结构简单等优点，同时，本发明提供的冷端补偿电路以及电路误差补偿电路能够减少测量误差，进一步提高测量精度。

本发明通过在输入检测电路与信号分析电路之间设有电压跟随器，由于电压跟随器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，因而，可以看成是输入信号接一个很大的电阻到地，这样与前面的走线电阻组成一个分压电路，相对于很大的电阻，走线电阻可以忽略不计，那么输入的信号几乎没损耗地进入下一级处理电路，进一步提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明温控仪测温电路示意图；

图2是本发明温控仪测温电路中输入检测电路的示意图；

图3是本发明温控仪测温电路中信号分析电路的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。

如图1所示，图1显示了本发明温控仪测温电路的电路图，其包括输入检测电路与信号分析电路。具体地：

所述输入检测电路包括模拟开关控制器、冷端补偿电路、热电偶测温电路、热电阻测温电路以及电路误差补偿电路。当采用热电偶测温时，所述模拟开关控制器的输入端分别与所述冷端补偿电路、热电偶测温电路以及电路误差补偿电路连通；当采用热电阻测温时，所述模拟开关控制器的输入端分别与所述热电阻测温电路以及电路误差补偿电路连通。

所述信号分析电路包括积分器、三极管、第一D触发器以及第二D触发器；所述积分器的负输入端连接所述模拟开关控制器的输出端，所述积分器的正输入端连接所述第一D触发器的输出端，所述积分器的输出端连接所述三极管的基极；所述第一D触发器的输入端分别连接所述第一D触发器的反向输出端及所述三极管的集电极,所述第一D触发器的反向输出端连接脉冲计量端P(本发明通过连接到单片机求得第一D触发器的反向输出端输出信号的脉冲个数，进一步获得信号的频率值)，所述第一D触发器的时钟端连接所述第二D触发器的输出端；所述第二D触发器的输入端与所述第二D触发器的反向输出端连接，所述第二D触发器的时钟端与时钟信号源M连接。

因此，本发明中的输入检测电路，通过模拟开关控制器既能选择热电偶输入，又能选择热电阻输入，具备测温范围宽，测量精度高的优点。同时，本发明中的温控仪测温电路，通过积分器、三极管、第一D触发器以及第二D触发器组成的信号分析电路求得积分器一个充放电周期的频率，反推出输入积分器的电压值，再通过热电阻或热电偶分度表，就能计算出具体的温度值。

如图2所示，所述输入检测电路包括模拟开关控制器、冷端补偿电路3、热电偶测温电路1、热电阻测温电路2以及电路误差补偿电路4。本发明优选选用的模拟开关控制器为74HC4051，但不限于此，只要能实现通道选取功能的芯片就能适用于本发明。所述模拟开关控制器包括三个控制端(A端、B端与C端)、八个输入端(X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7)以及输出端X，其中，X0、X1、X3以及X5接地，X2、X4、X6与X7分别与冷端补偿电路3、热电偶测温电路1、热电阻测温电路2以及电路误差补偿电路4连接，三个控制端用于选通要输出的输入端，所述输出端X用于输出信号至信号分析电路。

所述热电偶测温电路1包括热电偶(图中未画出)、第一电容C1、第一电阻R1、第二电容C2、第二电阻R2、第三电容C3以及第三电阻R3；所述第一电容C1的一端接地并连接热电偶的负输入端J1，另一端连接电源(+5V)；所述第一电阻R1一端连接热电偶的正输入端J2，另一端连接电源；所述第二电容C2一端连接热电偶的正输入端J2，另一端接地；所述第二电阻R2的一端连接热电偶的正输入端J2，另一端通过第三电容C3接地并通过第三电阻R3连接所述模拟开关控制器的输入端X4。

所述热电阻测温电路2包括热电阻(图中未画出)、第一电容C1、第四电阻R4、第四电容C4、第五电阻R5、第五电容C5以及第六电阻R6；所述第一电容C1一端接地并连接热电阻的负输入端J1，另一端连接电源；所述第四电阻R4一端连接电源，另一端连接热电阻的正输入端J3；所述第四电容C4一端连接热电阻的正输入端J3，另一端接地；所述第五电阻R5一端连接热电阻的正输入端J3，另一端分别通过第五电容C5接地以及通过第六电阻R6连接所述模拟开关控制器的输入端X6。

所述冷端补偿电路3包括二极管、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10以及第六电容C6；所述二极管的正极接地，负极通过第七电阻R7连接电源；所述第八电阻R8一端连接二极管的负极，另一端分别通过第九电阻R9接地以及通过第十电阻R10连接所述模拟开关控制器的输入端X2；所述第六电容C6一端接地，另一端连接所述模拟开关控制器的输入端X2。本发明提供的冷端补偿电路C通过二极管的温度特性来对热电偶测温电路进行冷端补偿，能够减少测量误差，进一步提高测量精度。

所述电路误差补偿电路4包括补偿电阻R11，所述补偿电阻R11一端连接模拟开关控制器的输入端X7，另一端接地。本发明提供的电路误差补偿电路能够减少测量误差，进一步提高测量精度。

如图3所示，所述信号分析电路中还是设有第一限流电阻R12、第二限流电阻R13、第三限流电阻R15、第一分压电阻R16、第二分压电阻R14、第三分压电阻R18以及第四分压电阻R17。

所述积分器输出端通过第三限流电阻R15连接三极管Q3的基极；所述积分器的负输入端通过第一限流电阻R12连接模拟开关控制器的输出端并通过第二限流电阻R13连接电源；所述积分器的正输入端通过第一分压电阻R16连接第一D触发器的输出端并通过第二分压电阻R14接地。所述第一D触发器的输入端通过第三分压电阻R18连接第一D触发器的反向输出端，所述第一D触发器的反向输出端通过第四分压电阻R17接地。

进一步地，所述输入检测电路与信号分析电路之间设有电压跟随器，所述电压跟随器的正输入端连接模拟开关控制器的输出端X，所述电压跟随器的输出端通过第一限流电阻R12连接积分器的负输入端。本发明通过在输入检测电路与信号分析电路之间设有电压跟随器，由于电压跟随器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，因而，可以看成是输入信号接一个很大的电阻到地，这样与前面的走线电阻组成一个分压电路，相对于很大的电阻，走线电阻可以忽略不计，那么输入的信号几乎没损耗地进入下一级处理电路，进一步提高了测量精度。

本发明采用的信号分析电路，通过计算脉冲个数求得充电放电一个周期的频率，再通过电路分析与推导，计算出输入的电压值，进而求得对应的温度值。首先，积分器的原理是通过对反馈电容C7的充放电来实现积分运算；第一D触发器D1的输出端Q经过一个分压电路后接到积分器的正输入端，而输出端Q是受第一D触发器D1的输入端D控制的，当输入端D为高电平时，输出端Q也输入高电平，反之输出低电平，同时，第一D触发器D1的输出是受时钟信号控制的，当第一D触发器D1的时钟信号CLK上升沿到来时，输出状态才会随着输入端的变化而变化。设定时钟信号CLK是1MHz的频率，假设第一D触发器D1的输入端D的初始状是低电平，在开始通电时，第一D触发器D1的CLK信号上升沿到来时，输出端Q输出低电平，通过同R16、R14组成的分压电路进入到积分器的正输入端，相对应积分器的正输入端的电压U+也是低电平。根据运放的“虚短、虚断”特性，可知此时电路是对C7进行充电的，在对C7充电时，C7上的电压近似线性地增加，而积分器的输出端电压V0则是近似线性地减小，从而使得三极管Q3的基极电流减小，基极的电流减小引起集电极的电流也减小，因而在R17上的压降(Ur17)就变小。由于第一D触发器D1的输入端D的电压Ud可以近似地等于Ud≈Uq-－Ur17(其中Uq-为第一D触发器D1的反向输出端Q-的电压)，由于Uq-不变，Ur17变小，那么Ud就变大，当Ud大于第一D触发器D1的门槛电压时，在CLK的上升沿到来时，第一D触发器D1发生翻转，输出为高电平，也就是输出端Q为高电平。当输出端Q输出高电平时，积分器正输入端的电压U+也为高电平，根据运放的“虚短、虚断特性，C7此时放电，C7放电时，C7上的电压变小，Vo增加，三极管Q3的基极电流变大，同样集电极的电流也变大，因此Ur17变大，由Ud≈Uq-－Ur17可知，Ud变小，当小于第一D触发器D1的门槛电压时，在CLK的上升沿到来时，第一D触发器D1发生翻转，输出为低电平，到此电容C7完成一个充放电过程，也就是一个工作过程。以后重复以上的工作过程。其中，放电时间T放为参考的时钟信号(1MHz)的倒数，因为放电时U-＝U+，而U+是以CLK(1MHz)为参考时钟，所以U+的持续时间是时钟信号(1MHz)的倒数。

计算过程为：

根据电容C7的充放电电荷平衡，可知：

Q放＝Q充 (1)

Q充＝I充T充 (2)

充电时，U-＝0，其中U-为积分器负输入端的电压

T充＝T周期－T放 (3)

I充＝(Vin/R12)+(5/R13)，其中Vin为输出端X的输出电压 (4)

放电时，放电时间T放为参考的时钟信号(1MHz)的倒数，即

T放＝1/1M＝1/(1*106)＝1Us (5)

U-＝U+＝Uq*[R14/(R14+R16)] (6)

Q放＝I放T放 (7)

I放＝I3－I1，其中I3为经过R12的电流，I1为经过R13的电流 (8)

I3＝(U-－Vin)/R12 (9)

I1＝(5－U-)/R13 (10)

由式(7)(8)(9)，可得：

I放＝[(U-－Vin)/R12]－[(5－U-)/R13] (11)

F＝1/T周期 (12)

联合式(1)-(12)可以得出：

I放T放＝I充T充，具体的推导过程为：

[(U-－Vin)/R12]－[(5－U-)/R13]*T放＝(Vin/R12)+(5/R13)*(T周期－T放)

→[(U-/R12)+(U-/R13)]*T放＝[(Vin/R12)+(5/R13)]*T周期

→F＝1/T周期＝[(Vin/R12)+(5/R13)]/{[(U-/R12)+(U-/R13)]*T放}(其中T放＝10^-6s)

→F＝{[(Vin/R12)+(5/R13)]/[(U-/R12)+(U-/R13)]}*10^6(单位是Hz)(13)

根据式(13),由于根据运放特性，R12上的压降可以忽略不计，即Vin≈U-，因此代入F的值(通过脉冲计量端P计算脉冲个数求得的频率)，就能反推出Vin的值，进而根据热电偶分度表或热电阻分度表，推算出对应的温度值。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种温控仪测温电路，其特征在于，包括输入检测电路与信号分析电路；

所述输入检测电路包括模拟开关控制器、冷端补偿电路、热电偶测温电路、热电阻测温电路以及电路误差补偿电路，当采用热电偶测温时，所述模拟开关控制器的输入端分别与所述冷端补偿电路、热电偶测温电路以及电路误差补偿电路连通，当采用热电阻测温时，所述模拟开关控制器的输入端分别与所述热电阻测温电路以及电路误差补偿电路连通；

所述信号分析电路包括积分器、三极管、第一D触发器以及第二D触发器；

所述积分器的负输入端连接所述模拟开关控制器的输出端，所述积分器的正输入端连接所述第一D触发器的输出端，所述积分器的输出端连接所述三极管的基极；

所述第一D触发器的输入端分别连接所述第一D触发器的反向输出端及所述三极管的集电极，所述第一D触发器的反向输出端连接脉冲计量端，所述第一D触发器的时钟端连接所述第二D触发器的输出端；

所述第二D触发器的输入端与所述第二D触发器的反向输出端连接，所述第二D触发器的时钟端与时钟信号源连接。

2.如权利要求1所述的温控仪测温电路，其特征在于，所述热电偶测温电路包括热电偶、第一电容、第一电阻、第二电容、第二电阻、第三电容以及第三电阻；

所述第一电容的一端接地并连接热电偶的负输入端，另一端连接电源；

所述第一电阻一端连接热电偶的正输入端，另一端连接电源；

所述第二电容一端连接热电偶的正输入端，另一端接地；

所述第二电阻的一端连接热电偶的正输入端，另一端通过第三电容接地并通过第三电阻连接所述模拟开关控制器的输入端。

3.如权利要求1所述的温控仪测温电路，其特征在于，所述热电阻测温电路包括热电阻、第一电容、第四电阻、第四电容、第五电阻、第五电容以及第六电阻；

所述第一电容一端接地并连接热电阻的负输入端，另一端连接电源；

所述第四电阻一端连接电源，另一端连接热电阻的正输入端；

所述第四电容一端连接热电阻的正输入端，另一端接地；

所述第五电阻一端连接热电阻的正输入端，另一端分别通过第五电容接地以及通过第六电阻连接所述模拟开关控制器的输入端。

4.如权利要求1所述的温控仪测温电路，其特征在于，所述冷端补偿电路包括二极管、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻以及第六电容；

所述二极管的正极接地，负极通过第七电阻连接电源；

所述第八电阻一端连接二极管的负极，另一端分别通过第九电阻接地以及通过第十电阻连接所述模拟开关控制器的输入端；

所述第六电容一端接地，另一端连接所述模拟开关控制器的输入端。

5.如权利要求1所述的温控仪测温电路，其特征在于，所述电路误差补偿电路包括补偿电阻，所述补偿电阻一端连接模拟开关控制器的输入端，另一端接地。

6.如权利要求1所述的温控仪测温电路，其特征在于，所述信号分析电路还包括第一限流电阻与第二限流电阻，所述积分器的负输入端通过第一限流电阻连接模拟开关控制器的输出端并通过第二限流电阻连接电源。

7.如权利要求6所述的温控仪测温电路，其特征在于，所述输入检测电路与信号分析电路之间设有电压跟随器，所述电压跟随器的正输入端连接模拟开关控制器的输出端，所述电压跟随器的输出端通过第一限流电阻连接积分器的负输入端。

8.如权利要求1所述的温控仪测温电路，其特征在于，所述信号分析电路还包括第三限流电阻，所述积分器输出端通过第三限流电阻连接三极管的基极。

9.如权利要求1所述的温控仪测温电路，其特征在于，所述信号分析电路还包括第一分压电阻与第二分压电阻，所述积分器的正输入端通过第一分压电阻连接第一D触发器的输出端并通过第二分压电阻接地。

10.如权利要求1所述的温控仪测温电路，其特征在于，所述信号分析电路还包括第三分压电阻与第四分压电阻，所述第一D触发器的输入端通过第三分压电阻连接第一D触发器的反向输出端，所述第一D触发器的反向输出端通过第四分压电阻接地。