CN111207848A - 温度检测电路和温度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度检测电路和温度检测方法，其中，温度检测电路包括：热电偶；调理模块，用于对热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号；控制器，用于根据数字热端热电势信号得到热端热电势，根据热端热电势得到热电偶的热端温度。该电路能够对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而能够提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度。

Description

温度检测电路和温度检测方法

技术领域

本发明涉及温度检测技术领域，尤其涉及一种温度检测电路和温度检测方法。

背景技术

热电偶信号是变化缓慢的微伏级到毫伏级信号，尤其是铂铑-铂热电偶传感器，其热电势随温度的变化幅度仅有并且几微伏每摄氏度。由于热电势信号的微弱性，在传输过程中非常容易受到外界的干扰，因而如何提升信号在传输过程中的抗干扰能力非常重要。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种温度检测电路，以对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度。

本发明的另一个目的在于提出一种温度检测方法。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种温度检测电路，包括：热电偶；调理模块，用于对所述热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号；控制器，用于根据所述数字热端热电势信号得到热端热电势，根据所述热端热电势得到所述热电偶的热端温度。

根据本发明实施例的温度检测电路，通过调理模块对热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理，通过模数转换器将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号，通过热敏电阻感知热电偶的冷端温度，通过控制器根据数字热端热电势信号得到热端热电势，根据热端热电势得到热电偶的热端温度。由此，该电路能够对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而能够提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度。

另外，根据本发明上述实施例的温度检测电路还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述调理模块包括：差分低通滤波器和共模滤波器。

根据本发明的一个实施例，所述模数转换器的偏移误差小于1微伏。

根据本发明的一个实施例，所述模数转换器为分辨率大于预设的分辨率阈值、噪声低于预设的第一噪声阈值、共模抑制比高于预设的共模抑制比阈值、带差分输入通道和可编程增益的模数转换器。

根据本发明的一个实施例，所述模数转换器外接基准电压源，所述基准电压源的温度漂移低于预设的温度漂移阈值，精度高于预设的第二精度阈值，噪声低于预设的第二噪声阈值。

根据本发明的一个实施例，所述控制器具体用于：存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；根据所述热端热电势和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；根据所述近似温度区间和所述热端热电势，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。

根据本发明的一个实施例，温度检测电路，还包括：显示设备，用于显示所述热电偶的热端温度。

根据本发明的一个实施例，所述显示设备的显示位数大于6位。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种温度检测方法，适用于温度检测电路中，所述温度检测电路包括：热电偶；调理模块，用于对所述热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号，所述温度检测方法包括：

根据所述数字热端热电势信号得到热端热电势；根据所述热端热电势得到所述热电偶的热端温度。

根据本发明实施例的温度检测方法，先根据数字热端热电势信号得到热端热电势，然后根据所述热端热电势得到所述热电偶的热端温度。由此，该方法能够对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而能够提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度。

另外，根据本发明上述实施例的温度检测方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述根据所述热端热电势得到所述热电偶的热端温度，包括：存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；根据所述热端热电势和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；根据所述近似温度区间和所述热端热电势，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明实施例的温度检测电路的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的调理模块的结构框图；

图3是本发明一个具体示例的温度检测电路的电路图；

图4是本发明一个具体示例的调理电路的电路图；

图5是本发明一个实施例的计算热端温度的流程图；

图6是本发明一个具体示例的热电势-温度曲线示意图；

图7是本发明一个具体示例的拟合曲线的示意图；

图8是本发明一个实施例的温度检测电路的结构示意图；

图9是本发明实施例的温度检测方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的温度检测电路和温度检测方法。

需要说明的是，在工业生产、钻探和特殊高性能材料的制造成型中通常需要涉及到1000℃左右的高温环境，在这个温度条件下，热电偶是唯一能够商业化应用的接触式热电温度传感器，其测温精度直接关系到了生产控制过程的精确性和产品的质量。在热电偶的测温过程中，热电偶的热电势与温度信号之间呈现出较高的非线性关系，如何对其进行有效处理从而精准计算实际温度是提升测量精度的关键。

为此，本发明实施例提出了一种温度检测电路和温度检测方法，以解决相关技术中抗干扰能力较低、检测精度较低的问题。

图1是本发明实施例的温度检测电路的结构示意图。

如图1所示，该电路100包括：热电偶10、调理模块20、模数转换器30、和控制器40。

其中，调理模块20用于对热电偶10的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器30用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号；控制器40用于根据数字热端热电势信号得到热端热电势，根据热端热电势得到热电偶10的热端温度。

在一个实施例中，如图2所示，调理模块20可包括：差分低通滤波器21和共模滤波器22。

具体地，在热电偶10进行温度检测时，调理模块20对热电偶10的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理，以消除线路上的大部分共模噪声，并将滤波处理后的模拟热端热电势信号发送给模数转换器30，以使模数转换器30将将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号，并发送给控制器40，以使控制器40根据数字热端热电势信号得到热端热电势，进而根据热端热电势得到热电偶10的热端温度。

其中，控制器40(主控芯片)的内部可以设置有快速高效的测温算法，控制器40可依据该测温算法根据数字热端热电势信号得到热端热电势，进而根据热端热电势得到热电偶10的热端温度。

总的来说，该电路100通过调理电路20来消除共模噪声，保证热电偶信号采集的精度。由此，该电路能够对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而能够提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度。

在本发明的一个实施例中，模数转换器30的偏移误差可小于1微伏。

进一步地，模数转换器30可为分辨率大于预设的分辨率阈值、噪声低于预设的第一噪声阈值、共模抑制比高于预设的共模抑制比阈值、带差分输入通道和可编程增益的模数转换器。

具体地，预设的分辨率阈值、第一噪声阈值、预设的共模抑制比阈值可分别为分辨率大小、噪声高低、共模抑制比高低的临界值，当分辨率大于预设的分辨率阈值时，分辨率高；当噪声低于预设的第一噪声阈值时，噪声低；当共模抑制比高于预设的共模抑制比阈值时，共模抑制比高。例如，模数转换器30可为AD7798型高精度模数转换器，其具有高分辨率、低噪声、高共模抑制比的优点。

又进一步地，模数转换器30可外接基准电压源，基准电压源的温度漂移低于预设的温度漂移阈值，精度高于预设的第二精度阈值，噪声低于预设的第二噪声阈值。

具体地，当基准电压源的温度漂移低于预设的温度漂移阈值，精度高于预设的第二精度阈值，噪声低于预设的第二噪声阈值时，该基准电压源具有低温漂、高精度、低噪声的优点，例如，该基准电压源可以为具有3.0V输出电压的ADR4530型基准电压源。

在本发明的一个具体示例中，如图3所示的温度检测电路中，模数转换器30为AD7798型高精度模数转换器，基准电压源为具有3.0V输出电压的ADR4530型基准电压源，其中，调理电路20的电路如图4所示。

在本发明的一个实施例中，控制器40可具体用于：存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，一元高次方程的阶数大于5阶；根据热端热电势和一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；根据近似温度区间和热端热电势，采用牛顿迭代法求解一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。

具体地，控制器40内的测温算法可包括热电偶10的热电势-温度曲线，测温算法的转换误差可小于0.01％，控制器40在获取热端温度时，如图5所示，首先，可通过多项式拟合热电势-温度曲线得到一元高次方程f(x)，并将该一元高次方程进行存储，其中，一元高次方程的阶数大于5阶，一元高次方程的曲线即为拟合曲线，然后，根据热端热电势和一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间[a，b]，最后，根据近似温度区间[a，b]和热端热电势，采用牛顿迭代法求解一元高次方程得到符合预设精度的热端温度Tn。其中，如果(Tn+1-Tn)/Tn＜0.01％，则说明热端温度Tn符合预设精度。

举例而言，拟合后的一元高次方程曲线f(x)存储在控制器40内，在控制器40根据热端热电势得到热电偶的热端温度时，控制器40首先接收到热端热电势数字信号，然后，根据如下步骤采用二分法求解近似的热端温度区间：

步骤1，随机在热电势-温度曲线的温度范围[p，q]内取一中间值O1，代入拟合方程(一元高次方程)得到Y1，判断出Y1与接收到的热端热电势大小关系，因此把近似温度区间缩小到[p，O1]或者[O1，q]。

步骤2，找到[p，O1]或者[O1，q]的中间温度值O2，代入方程得到Y2，判断出Y2与p或者q的大小关系，因此进一步缩小温度区间。

以此类推，直至得到近似的温度区间[a，b]，其中，区间宽度可根据整体微机的运算能力确定，优选为10℃以下。

最后，控制器40根据温度区间[a，b]，采用牛顿迭代法求解一元二次方程得到符合预设精度的热端温度。具体而言，此将拟合函数f(x)求导得到f’(x)。在近似的温度区间[a，b]内任意取一个值X1，代入函数X2＝X1-f(x)/f`(x)，得到X2，循环多次可依次得到X2、X3等等，直至f(Xn)与接收到的热电势的差值(即误差)符合预设精度，同时(f(Xn+1)-f(Xn))/f(Xn)＜0.01％，即输出Xn，由此，即可得到符合预设精度的热端温度Tn＝Xn。

需要说明的是，由于热电偶10的热电势与温度信号呈现出较高的非线性关系，因此不能简单地利用函数表示两者之间的关系，需要预先对热电偶10的热电势-温度信号作相应处理。本发明实施例中先通过调理电路20和高精度的模数转换器30来提高温度采集的精度，然后利用高效测温算法可以快速高效的实现热电势和温度之间的转换，适合运算能力有限的嵌入式系统。

在本发明的一个实施例中，如图8所示，温度检测电路100还可包括显示设备50。显示设备50用于显示热电偶10的热端温度。其中，显示设备50的显示位数可大于6位，即显示设备50可以为高精数显。

具体地，参照图3，控制器40在得到热电偶10的热端精准温度时，可将热端精准温度发送给显示设备50，以使显示设备50显示热电偶10的热端精准温度，从而实现热端精准温度的可视化显示。

综上所述，本发明实施例的温度检测电路，能够对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而能够提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度，且可以用于多种类型的热电偶冷端温度的精确采集。

基于相同的发明构思，本发明实施例提出了一种温度检测方法，该温度检测方法适用于图1所示的温度检测电路中，温度检测电路包括：热电偶；调理模块，用于对热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号。

图9为本发明实施例的温度检测方法的流程图。

如图9所示，该方法包括以下步骤：

S101，根据数字热端热电势信号得到热端热电势。

S102，根据热端热电势得到热电偶的热端温度。

具体地，根据热端热电势得到热电偶的热端温度，可包括：存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，一元高次方程的阶数大于5阶；根据热端热电势和一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；根据近似温度区间和热端热电势，采用牛顿迭代法求解一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。

需要说明的是，本发明实施例的温度检测方法的其他具体实施方式可参见本发明上述实施例的温度检测电路的具体实施方式，为避免冗余，此处不再赘述。

本发明实施例的温度检测方法，能够对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而能够提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种温度检测电路，其特征在于，包括：

热电偶；

调理模块，用于对所述热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；

模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号；

控制器，用于根据所述数字热端热电势信号得到热端热电势，根据所述热端热电势得到所述热电偶的热端温度。

2.根据权利要求1所述的温度检测电路，其特征在于，所述调理模块包括：差分低通滤波器和共模滤波器。

3.根据权利要求1所述的温度检测电路，其特征在于，所述模数转换器的偏移误差小于1微伏。

4.根据权利要求3所述的温度检测电路，其特征在于，所述模数转换器为分辨率大于预设的分辨率阈值、噪声低于预设的第一噪声阈值、共模抑制比高于预设的共模抑制比阈值、带差分输入通道和可编程增益的模数转换器。

5.根据权利要求3所述的温度检测电路，其特征在于，所述模数转换器外接基准电压源，所述基准电压源的温度漂移低于预设的温度漂移阈值，精度高于预设的第二精度阈值，噪声低于预设的第二噪声阈值。

6.根据权利要求1所述的温度检测电路，其特征在于，所述控制器具体用于：

存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；

根据所述热端热电势和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；

根据所述近似温度区间和所述热端热电势，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。

7.根据权利要求1所述的温度检测电路，其特征在于，还包括：

显示设备，用于显示所述热电偶的热端温度。

8.根据权利要求7所述的温度检测电路，其特征在于，所述显示设备的显示位数大于6位。

9.一种温度检测方法，其特征在于，适用于温度检测电路中，所述温度检测电路包括：热电偶；调理模块，用于对所述热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号，所述温度检测方法包括：

根据所述数字热端热电势信号得到热端热电势；

根据所述热端热电势得到所述热电偶的热端温度。

10.根据权利要求9所述的温度检测方法，其特征在于，所述根据所述热端热电势得到所述热电偶的热端温度，包括：

存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；

根据所述热端热电势和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；

根据所述近似温度区间和所述热端热电势，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。

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