CN110954236A - 温度转换电流输出电路及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了温度转换电流输出电路及其使用方法，电路包括调零电路、放大电路、温度检测电路和对外接口，调零电路与放大电路连接，放大电路与温度检测电路连接，调零电路、温度检测电路均与对外接口连接，放大电路的输出端连接对外接口，其中放大电路包括第一运算放大器，第一运算放大器为调零电路和温度检测电路提供基准电压。本发明通过放大电路将调零电路和温度检测电路的输出电压差进行放大并产生输出电流，使传输线路抗干扰能力强；设置调零电路和温度检测电路使得测量温度范围可调节，通过对外接口能检测到温度变化时的输出电流的变化；通过高精度的基准电压，保证调零电路和温度检测电路正常运作，可广泛应用于温度测量技术领域。

Description

温度转换电流输出电路及其使用方法
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，尤其是一种温度转换电流输出电路及其使用方法。
背景技术
现今热电阻广泛应用于需要高精度的温度测量场合，而目前的测量电路大多桥式电路，将电阻值转换为电压再传送给测量设备，一方面测量温度范围固定，不能调节；另一方面，输出电压在传送路径上容易受到现场环境中的电磁干扰，从而带来很大的温度偏差，降低测量精度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种测量温度范围可调节且精度高的一种温度转换电流输出电路及其使用方法。
本发明所采取的技术方案是：温度转换电流输出电路，包括调零电路、放大电路、温度检测电路和对外接口，调零电路与放大电路连接，放大电路与温度检测电路连接，对外接口与电源正极连接，调零电路、温度检测电路均与对外接口连接，放大电路的输出端与对外接口连接，其中放大电路包括第一运算放大器，第一运算放大器为调零电路和温度检测电路提供基准电压。
进一步，调零电路包括第二运算放大器、第一电阻和电阻大小可调节的第二电阻，第二运算放大器的同相输入端输入所述基准电压，第一电阻两端分别连接第二运算放大器的反相输入端和第二运算放大器的输出端，第二电阻两端分别连接对外接口和连接第二运算放大器的反相输入端。
进一步，所述温度检测电路包括第三运算放大器、第三电阻和PT100电阻，第三电阻两端分别连接对外接口和连接第三运算放大器的反相输入端，PT100电阻两端分别连接第三运算放大器的反相输入端和第三运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的同相输入端输入所述基准电压；
所述放大电路还包括第四运算放大器、第五运算放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、电阻大小可调节的第七电阻、电阻大小可调节的第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻，第四运算放大器的同相输入端连接第二运算放大器的输出端，第五运算放大器的同相输入端连接第三运算放大器的输出端。
进一步，所述温度检测电路包括第三运算放大器、第三电阻和PT100电阻，第三电阻两端分别连接对外接口和连接第三运算放大器的反相输入端，PT100电阻两端分别连接第三运算放大器的反相输入端和第三运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的同相输入端输入所述基准电压。
进一步，所述放大电路还包括第四运算放大器、第五运算放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、电阻大小可调节的第七电阻、电阻大小可调节的第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻。
进一步，第四运算放大器的同相输入端连接调零电路的输出端、第四电阻两端分别连接第四运算放大器的反相输入端和第四运算放大器的输出端，第五电阻两端分别连接第五运算放大器的反相输入端和第五运算放大器的输出端，第六电阻两端分别连接第四运算放大器的反相输入端和第五运算放大器的反相输入端，第五运算放大器的同相输入端连接温度检测电路的输出端，第七电阻两端分别连接第四运算放大器的输出端和第一运算放大器的反相输入端，第八电阻两端分别连接第五运算放大器的输出端和第一运算放大器的同相输入端，第九电阻两端分别连接第一运算放大器的同相输入端和连接对外接口，第十电阻两端分别连接第一运算放大器的输出端和第一运算放大器的反相输入端，第十一电阻一端连接第一运算放大器的输出端，第十一电阻另一端为放大电路的输出端。
进一步，所述对外接口具有第一接脚连接第十一电阻的一端。
进一步，所述第一接脚与调零电路、温度检测电路连接。
进一步，所述对外接口具有第二接脚连接电源正极。
本发明还提供，温度转换电流输出电路的使用方法，包括以下步骤：
确定测量的温度范围和最大电流变化量；
根据温度范围和温度检测电路，通过调零电路进行调零；
根据温度范围、调零结果和温度检测电路，通过放大电路调节输出的电流变化量为最大电流变化量；
根据调节结果和PT100电阻，通过对外接口测量输出的电流变化量，以确定温度范围内的实际温度变化；
其中，温度检测电路包括PT100电阻。
本发明的有益效果是：调零电路与放大电路连接，放大电路与温度检测电路连接，放大电路的输出端、调零电路、温度检测电路连接对外接口，其中放大电路包括第一运算放大器，第一运算放大器为调零电路和温度检测电路提供基准电压，通过放大电路将调零电路和温度检测电路的输出电压差进行放大并产生输出电流，使传输线路抗干扰能力强；设置调零电路和温度检测电路使得测量温度范围可调节，通过对外接口能检测到温度变化时的输出电流的变化；通过高精度的基准电压，保证调零电路和温度检测电路正常运作。
附图说明
图1为本发明的电路结构图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。
参照图1，本发明实施例提供了温度转换电流输出电路，包括调零电路、放大电路、温度检测电路和对外接口XS1，对外接口XS1包括第1接脚和第2接脚，调零电路与放大电路连接，放大电路与温度检测电路连接，调零电路、温度检测电路、放大电路的输出端均与对外接口XS1的第1脚连接，其中放大电路包括第一运算放大器U1A，第一运算放大器U1A为调零电路和温度检测电路提供基准电压VREF。本实施例中，第一运算放大器U1A的型号为LM10CN，基准电压VREF大小为200mV，由第一运算放大器U1A的第1脚、第8脚产生。
参照图1，进一步作为优选的实施方式，在本实施例中，调零电路包括第二运算放大器U1B、第一电阻R1和电阻大小可调节的第二电阻R2，第二运算放大器U1B的同相输入端输入所述基准电压VREF，第一电阻R1两端分别连接第二运算放大器U1B的反相输入端和第二运算放大器U1B的和输出端，第二电阻R2两端分别连接对外接口XS1的第1脚和连接第二运算放大器U1B的反相输入端。
调零电路能将基准电压VREF进行线性放大，放大公式为：
Figure BDA0002293143980000031
U1为调零电路的输出电压，即第二运算放大器U1B的输出端电压，第一电阻R1的大小为10K，从放大公式可知，U1的电压大小可以通过第二电阻R2进行调节。
参照图1，进一步作为优选的实施方式，在本实施例中，所述温度检测电路包括第三运算放大器U1C、第三电阻和PT100电阻(RPT100)，第三电阻R3两端分别连接对外接口XS1的第1脚和连接第三运算放大器U1C的反相输入端，PT100电阻两端分别连接第三运算放大器U1C的反相输入端和第三运算放大器U1C的输出端，所述第三运算放大器U1C的同相输入端输入所述基准电压VREF。本实施例中，第三电阻R3大小为100Ω，PT100电阻为线性热电阻元件，阻值大小计算公式为：
RPT100＝100+0.385T
其中T为温度；温度检测电路同样能将基准电压VREF进行线性放大，放大公式为：
Figure BDA0002293143980000041
其中，U4为温度检测电路的输出电压，即第三运算放大器U1C的输出端电压，从该放大公式可知道，当温度变化时U4的值会产生变化，U4与温度呈线性关系。
参照图1，进一步作为优选的实施方式，在本实施例中，所述放大电路还包括第四运算放大器U1D、第五运算放大器U1E、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、电阻大小可调节的第七电阻R7、电阻大小可调节的第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11。本实施例中，第四运算放大器U1D的第4脚接电源正极(+24V)，第5脚连接对外接口XS1的第1脚；第一运算放大器U1A的第4脚连接对外接口XS1的第1脚、第7脚接电源正极(+24V)；第四电阻R4、第五电阻R5、第九电阻R9、第十电阻R10大小为100k，第六电阻R6大小为75k、第十一电阻R11大小为250Ω。
在本实施例中，第四运算放大器U1D的同相输入端连接调零电路的输出端、第四电阻R4两端分别连接第四运算放大器U1D的反相输入端和第四运算放大器U1D的输出端，第五电阻R5两端分别连接第五运算放大器U1E的反相输入端和第五运算放大器U1E的输出端，第六电阻R6两端分别连接第四运算放大器U1D的反相输入端和第五运算放大器U1E的反相输入端，第五运算放大器U1E的同相输入端连接温度检测电路的输出端，第七电阻R7两端分别连接第四运算放大器U1D的输出端和第一运算放大器U1A的反相输入端，第八电阻R8两端分别连接第五运算放大器U1E的输出端和第一运算放大器U1A的同相输入端，第九电阻R9两端分别连接第一运算放大器U1A的同相输入端和连接对外接口XS1的第1脚，第十电阻R10两端分别连接第一运算放大器U1A的输出端和第一运算放大器U1A的反相输入端，第十一电阻R11一端连接第一运算放大器U1A的输出端，第十一电阻R11另一端为放大电路的输出端，该输出端的输出电流为IOUT。
放大电路对第四运算放大器U1D和第五运算放大器U1E的同相输入端的电压差值进行精确放大，在本实施例中，第八电阻R8与第七电阻R7调节为大小相等，可以调节放大电路的放大倍数。放大电路相关的计算公式如下：
Figure BDA0002293143980000051
Figure BDA0002293143980000052
其中U3为第一运算放大器U1A的输出端电压，ΔU3为电压U3的变化值，ΔU4为电压U4的变化值，ΔT为温度T的变化值，ΔIOUT为输出电流IOUT的变化值，从上述公式可知U3的变化量决定了输出电流IOUT的变化量。
进一步作为优选的实施方式，在本实施例中，对外接口XS1采用两脚的二线制接口，能够节约现场布线。对外接口XS1具有第一接脚(第1接脚)和第二接脚(第2接脚)，第一接脚连接放大电路的输出端，即第一接脚输入输出电流IOUT，第二接脚连接电源正极(+24V)。所述对外接口XS1可以检测输出电流IOUT的变化，例如对外接口XS1可以采用毫安电流表，或者是250Ω的1％精密电阻来获取电流值，使得一端连接IOUT，另一端接地。
本发明还提供，温度转换电流输出电路的使用方法，包括以下步骤：
确定测量的温度范围和最大电流变化量；
根据温度范围和温度检测电路，通过调零电路进行调零；
根据温度范围、调零结果和温度检测电路，通过放大电路调节输出的电流变化量为最大电流变化量；
根据调节结果和PT100电阻，通过对外接口测量输出的电流变化量，以确定温度范围内的实际温度变化；
其中，温度检测电路包括PT100电阻。
在本实施例中，输出的电流变化量指的是根据输出电流IOUT确定的电流变化量的值。
在本实施例中，以PT100电阻测量温度范围在0℃至100℃为例(即温度为0℃时，电路输出电流为4mA，100℃时，电路输出电流为20mA，电流温度变化比为：0.16mA/℃)描述温度测量的过程，其中，信号电流为4～20mA为一种工业标准信号，4mA对应测量温度的起点，20mA对应测量温度的终点，最大电流变化量为16mA，具体为：
1)通过调零电路调零：维持温度检测电路的PT100电阻位置不变将温度T调整为0℃，或直接利用电阻大小为100Ω的精密电阻放置在温度检测电路的PT100电阻的位置以取代PT100电阻，此时U4为400mV，调节调零电路的第二电阻R2的大小，使输出电流IOUT的大小为4mA，此时第二电阻R2的大小为20K；
2)调节温度范围，维持温度检测电路的PT100电阻位置不变将温度T调整为100℃，或直接利用电阻大小为138.5Ω的精密电阻放置在温度检测电路的PT100电阻的位置以取代PT100电阻，此时U4为477mV，调节放大电路的第七电阻R7大小，使输出电流IOUT的大小为20mA，同时调节放大电路的第八电阻R8使其大小与第七电阻R7相等，此时第七电阻R7、第八电阻R8的大小为20K，输出电流变化量ΔIOUT为16mA(最大电流变化量)，ΔU3为4V；
3)若前面步骤利用了精密电阻进行调节，将PT100电阻放置回原来位置，即图1中的位置，若没有利用精密电阻，直接通过对外接口XS1测量输出电流变化量ΔIOUT；
4)在实际应用中，通过对外接口XS1测量输出电流变化值ΔIOUT后，即可根据ΔIOUT知道温度在0℃至100℃之间的具体实际温度变化。
当需要改变测量的温度范围时，只需在2)步骤中在不同温度下，维持PT100电阻位置不变直接调节第七电阻R7的大小，或采用其他阻值的精密电阻，调节第七电阻R7的大小，以对输出电流进行调节IOUT即可。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.温度转换电流输出电路，其特征在于：包括调零电路、放大电路、温度检测电路和对外接口，调零电路与放大电路连接，放大电路与温度检测电路连接，对外接口与电源正极连接，调零电路、温度检测电路均与对外接口连接，放大电路的输出端与对外接口连接，其中放大电路包括第一运算放大器，第一运算放大器为调零电路和温度检测电路提供基准电压。
2.根据权利要求1所述的温度转换电流输出电路，其特征在于：调零电路包括第二运算放大器、第一电阻和电阻大小可调节的第二电阻，第二运算放大器的同相输入端输入所述基准电压，第一电阻两端分别连接第二运算放大器的反相输入端和第二运算放大器的输出端，第二电阻两端分别连接对外接口和连接第二运算放大器的反相输入端。
3.根据权利要求2所述的温度转换电流输出电路，其特征在于：
所述温度检测电路包括第三运算放大器、第三电阻和PT100电阻，第三电阻两端分别连接对外接口和连接第三运算放大器的反相输入端，PT100电阻两端分别连接第三运算放大器的反相输入端和第三运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的同相输入端输入所述基准电压；
所述放大电路还包括第四运算放大器、第五运算放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、电阻大小可调节的第七电阻、电阻大小可调节的第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻，第四运算放大器的同相输入端连接第二运算放大器的输出端，第五运算放大器的同相输入端连接第三运算放大器的输出端。
4.根据权利要求1所述的温度转换电流输出电路，其特征在于：所述温度检测电路包括第三运算放大器、第三电阻和PT100电阻，第三电阻两端分别连接对外接口和连接第三运算放大器的反相输入端，PT100电阻两端分别连接第三运算放大器的反相输入端和第三运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的同相输入端输入所述基准电压。
5.根据权利要求1所述的温度转换电流输出电路，其特征在于：所述放大电路还包括第四运算放大器、第五运算放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、电阻大小可调节的第七电阻、电阻大小可调节的第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻。
6.根据权利要求5所述的温度转换电流输出电路，其特征在于：第四运算放大器的同相输入端连接调零电路的输出端、第四电阻两端分别连接第四运算放大器的反相输入端和第四运算放大器的输出端，第五电阻两端分别连接第五运算放大器的反相输入端和第五运算放大器的输出端，第六电阻两端分别连接第四运算放大器的反相输入端和第五运算放大器的反相输入端，第五运算放大器的同相输入端连接温度检测电路的输出端，第七电阻两端分别连接第四运算放大器的输出端和第一运算放大器的反相输入端，第八电阻两端分别连接第五运算放大器的输出端和第一运算放大器的同相输入端，第九电阻两端分别连接第一运算放大器的同相输入端和连接对外接口，第十电阻两端分别连接第一运算放大器的输出端和第一运算放大器的反相输入端，第十一电阻一端连接第一运算放大器的输出端，第十一电阻另一端为放大电路的输出端。
7.根据权利要求6所述的温度转换电流输出电路，其特征在于：所述对外接口具有第一接脚连接第十一电阻的一端。
8.根据权利要求7所述的温度转换电流输出电路，其特征在于：所述第一接脚与调零电路、温度检测电路连接。
9.根据权利要求1所述的温度转换电流输出电路，其特征在于：所述对外接口具有第二接脚连接电源正极。
10.温度转换电流输出电路的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
确定测量的温度范围和最大电流变化量；
根据温度范围和温度检测电路，通过调零电路进行调零；
根据温度范围、调零结果和温度检测电路，通过放大电路调节输出的电流变化量为最大电流变化量；
根据调节结果和PT100电阻，通过对外接口测量输出的电流变化量，以确定温度范围内的实际温度变化；
其中，温度检测电路包括PT100电阻。
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