CN111795757A - 热电偶冷端补偿电桥、热电偶组件及温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热电偶冷端补偿电桥，包括环形首尾连接的第一定额电阻、第二定额电阻、第三定额电阻和热敏电阻；桥路电源，包括正极和负极，正极电连接于第一定额电阻与第二定额电阻之间，负极电连接于第三定额电阻与热敏电阻之间；热敏电阻与第一定额电阻之间电连接热电偶的冷端。由于补偿电桥内设置了热敏电阻，当冷端所处的环境温度出现变化时，桥路两端的电势增加量对应补偿了热电偶热电势的减少量；且补偿电桥的结构简单，使用元件简单易得，解决了现有技术中电路内元件设置冗杂、占用空间大、不易集成的问题。本发明同时提出了一种具有该热电偶冷端补偿电桥的热电偶组件和一种温度传感器。

Description

热电偶冷端补偿电桥、热电偶组件及温度传感器

技术领域

本发明涉及温度检测技术领域，尤其涉及一种热电偶冷端补偿电桥、热电偶组件及温度传感器。

背景技术

在工业生产、智能加工及可穿戴电子设备等领域，对温度检测的需求越来越高。热电偶是温度测量中较为常用的温度传感器，其主要的优点为检测范围较宽及适应各种大气环境，而且其结实、价低，无需供电，成本也较低。

然而，热电偶的热电势的大小不仅与热端温度有关，还与冷端温度有关，只有在冷端温度恒定的情况下，热电势才能正确反映热端温度高低。由于冷端与热端的距离较近，冷端温度也会受到高温设备或环境温度的较大影响，因此冷端的温度不可能恒定不变，需要消除冷端温度变化对测量结果的影响。

在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有的通过代入公式计算并校正测量偏差的方法和将热电偶冷端置于冰水混合物中的方法使用不便且过程繁琐复杂。现有的不平衡电桥补偿方法设置的补偿电路通常存在电路内元件冗杂，导致电路占用空间较大，且无法直接集成于热电偶内部的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种热电偶冷端补偿电桥、热电偶组件及温度传感器，以解决上述问题。

本发明的实施例提供一种热电偶冷端补偿电桥，包括：

依次电连接的第一定额电阻、第二定额电阻、第三定额电阻和热敏电阻，所述热敏电阻还电连接所述第一定额电阻；

桥路电源，包括正极和负极，所述正极电连接于所述第一定额电阻与所述第二定额电阻之间，所述负极电连接于所述第三定额电阻与所述热敏电阻之间；

所述热敏电阻与所述第一定额电阻之间电连接热电偶的冷端。

由于补偿电桥内设置了热敏电阻，当冷端所处的环境温度出现变化时，桥路两端的电势增加量对应补偿了热电偶热电势的减少量；且补偿电桥的结构简单，使用元件简单易得，解决了现有技术中电路内元件设置冗杂、占用空间大、不易集成的问题。

进一步地，所述热敏电阻的材质为铜，所述第一定额电阻、所述第二定额电阻和所述第三定额电阻的材质为铜镍合金。

金属铜具有较好的热敏系数且体积可控、成本较低；铜镍合金具有稳定的电阻温度系数，以较小的体积就可实现现有技术中锰铜丝的效果，进而减小了热电偶冷端补偿电桥整体的体积，便于将热电偶冷端补偿电桥集合到热电偶中。

进一步地，所述热电偶冷端补偿电桥还包括：

限流电阻，所述限流电阻的一端电连接所述正极，另一端电连接于所述第一定额电阻与所述第二定额电阻之间。

限流电阻用于防止桥路在一些不良情况下的线路波动而引发不良。

进一步地，所述热敏电阻、所述第一定额电阻、所述第二定额电阻、所述第三定额电阻和所述限流电阻中至少一者的内部为S型弯曲状。

电阻使用弯曲走线设计，能节省占用面积，有助于实现热电偶冷端补偿电桥的小型化与集成化。

本发明实施例还提供一种热电偶组件，包括：

基材；

热电偶单元，设置于所述基材的一侧，包括第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极的一端与所述第二金属电极的一端相连接；及

上述热电偶冷端补偿电桥，电连接于所述第一金属电极。

热电偶组件的冷端连接上述热电偶冷端补偿电桥后，消减了冷端因温度变化引起的热电势波动，提高了测量精度。

进一步地，所述基材呈板状，所述热电偶单元与所述热电偶冷端补偿电桥设置于所述基材的同一侧。

基材呈板状可使热电偶组件实现“薄膜式”，减小热电偶组件占用的空间。

进一步地，所述第一金属电极的材质为铜镍合金，所述第二金属电极的材质为铜。

铜镍合金与铜组成热电偶的两级，使得热电偶在保证较好检测精度的同时，也能做到较小的体积。

进一步地，所述热电偶组件包括多个依次连接的所述热电偶单元；

多个所述第一金属电极与多个所述第二金属电极交替且串联设置。

通过串联多个热电偶，成倍地放大了检测的电势差值，提高了测温精度。

进一步地，所述热电偶组件还包括绝缘层；

所述绝缘层覆盖于所述热电偶单元远离所述基材的一面。

绝缘层用于防止热电偶单元及热电偶冷端补偿电桥内的金属氧化。

本发明实施例还提供一种温度传感器，包括检测机构和上述的热电偶组件；

所述检测机构的一端电连接所述第二定额电阻与所述第三定额电阻之间，另一端电连接所述第二金属电极；

所述检测机构用于感应所述第一金属电极与所述第二金属电极之间的电势差，并依据所述电势差获得检测温度。

本发明实施例提出的热电偶冷端补偿电桥、热电偶组件及温度传感器，由于新设计的补偿电桥及电桥内电阻材质选配方式，解决了传统热电偶的冷端补偿方法设置的电路存在的电路内元件冗杂，导致电路占用空间较大，且无法直接集成于热电偶内部的问题。本发明实施例通过将热电偶冷端补偿电桥集成于热电偶组件内部，且使热敏电阻靠近冷端设置，提高了补偿电桥的补偿精度，缩减了热电偶冷端补偿电桥及热电偶组件的体积。

附图说明

图1为本发明第一实施例中温度传感器的平面结构示意图。

图2为本发明第二实施例中温度传感器的平面结构示意图。

主要元件符号说明

热电偶组件 100

基材 10

热电偶单元 20

第一金属电极 21

第二金属电极 22

热电偶冷端补偿电桥 30

第一定额电阻 31

第二定额电阻 32

第三定额电阻 33

热敏电阻 34

桥路电源 35

正极 351

负极 352

限流电阻 36

绝缘层 40

感温区 50

温度传感器 200

检测机构 210

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当一个组件被称为“电连接”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“电连接”另一个组件，它可以是接触连接，例如，可以是导线连接的方式，也可以是非接触式连接，例如，可以是非接触式耦合的方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种热电偶冷端补偿电桥30，用于消除热电偶的冷端温度变化对测量的影响。热电偶冷端补偿电桥30包括第一定额电阻31(R1)、第二定额电阻32(R2)、第三定额电阻33(R3)、热敏电阻34(Rc_u)和桥路电源35。

其中，第一定额电阻31、第二定额电阻32、第三定额电阻33和热敏电阻34环形首尾连接。即，第一定额电阻31、第二定额电阻32、第三定额电阻33和热敏电阻34串联成环形结构。

桥路电源35包括正极351(V+)和负极352(V-)，正极351电连接于第一定额电阻31和第二定额电阻32之间，负极352电连接于第三定额电阻33与热敏电阻34之间。桥路电源35用于向热电偶冷端补偿电桥30提供电压。

使用时，被补偿的热电偶的冷端连接于第一定额电阻31与热敏电阻34之间，外部的检测模块连接于第二定额电阻32与第三定额电阻33之间。检测模块在检测热电偶冷端与热端之间的电势差时，冷端由于受温度变化影响导致电势出现偏差，流过冷端的电流经过热电偶冷端补偿电桥30的桥路后，校正了冷端的偏差，使测量结果更准确。

进一步地，在本实施例中，第一定额电阻31、第二定额电阻32和第三定额电阻33的材质为铜镍合金且阻值相等，热敏电阻34的材质为铜。

具体地，使用铜镍合金作为定额电阻的材质，相较于传统工艺中使用较多的锰铜丝，具有相似的电阻温度系数，但铜镍合金可使用更小的体积达到类似于锰铜丝的效果，有利于实现补偿电桥的小型化与集成化。使用铜作为热敏电阻34的材质，金属铜具有较好的热敏系数，能够随温度的变化稳定的改变阻值，且体积较好控制，成本较低。

可以理解，在实际使用过程中，热敏电阻34需靠近热电偶的冷端设置，以确保热敏电阻34与冷端处于同一温度下。当环境温度发生变化时，热电偶的冷端与热敏电阻34同时受影响发生电势变化，才能得到正确的补偿数值。

进一步地，桥路电源35提供的电压值范围优选为1.3V-6.7V，例如：2V、3.7V、5V等。范围内的电压值能够在保证补偿精度的同时减小功耗。实际使用过程中可依据测量环境或外部条件的需要选用合适的电压值。

进一步地，在本实施例中，热电偶冷端补偿电桥30还包括限流电阻36(RS)，限流电阻36的一端电连接正极351，另一端电连接于第一定额电阻31与第二定额电阻32之间。

具体地，限流电阻36用于提供电压保护，防止桥路在一些不良情况下的电压波动引发不良。

可以理解，针对不同的热电偶，限流电阻36的阻值也不一致。当热电偶冷端补偿电桥30适用于特定的一种热电偶或集成于热电偶内部时，限流电阻36可以使用匹配该种热电偶的定额电阻；当热电偶冷端补偿电桥30需适配不同种的热电偶时，限流电阻36可使用可变电阻，通过改变阻值来改变流过电桥桥臂的电流，以适配不同种的热电偶。

进一步地，第一定额电阻31、第二定额电阻32、第三定额电阻33、热敏电阻34和限流电阻36中至少一种的内部结构为S型弯曲状的走线，例如：热敏电阻34内部可为类似蛇形弯曲的铜线。可以理解，弯曲走线设计，能节省占用面积，有助于实现热电偶冷端补偿电桥30的小型化与集成化。

在本实施例中，当环境温度为0度时，第一定额电阻31、第二定额电阻32、第三定额电阻33和热敏电阻34的阻值相等，此时桥路两端的电势为0，电桥对连接热电偶的外部检测模块的读数没有影响。当热电偶冷端的温度升高时，热电偶的热电势会降低，此时热敏电阻34受温度升高影响电阻也会升高，桥路两端的电势也随着增加。由于补偿电桥的设计，使得桥路两端的电势增加量等于热电偶的热电势减少量，则补偿了冷端由于温度变化造成的电势拨动，避免外部检测模块在读数时产生误差。

可以理解，热电偶冷端补偿电桥30设置的补偿值依据实际的热电偶工作环境和热电偶的参数而设定，不限于上述实施例中的各项具体数值。

请继续参阅图1，本发明第一实施例还提供一种热电偶组件100，用于测量温度，其包括基材10、至少一个热电偶单元20和上述热电偶冷端补偿电桥30。

在本实施例中，基材10呈板状，且厚度较薄，用于承载热电偶单元20和热电偶冷端补偿电桥30。

热电偶单元20设置于基材10的一侧，热电偶单元20包括第一金属电极21和第二金属电极22，第一金属电极21的一端与第二金属电极22的一端相连。

在本实施例中，第一金属电极21与第二金属电极22均大致呈长条形并间隔设置，第一金属电极21与第二金属电极22的位于同侧的一端相连接并导通，其另一端可连接外部检测模块。

具体地，第一金属电极21为冷端，第二金属电极22为热端。

进一步地，第一金属电极21与第二金属电极22的长度可依据所需的电阻进行调整，第一金属电极21与第二金属电极22沿垂直于延伸方向的间距优选范围为5μm-200μm，例如：10μm、50μm、100μm、200μm等。范围内的间距可较好的避免两个电极之间的干扰。如间距太短容易引发相互干扰，如间距过长会造成空间的浪费。

可以理解，第一金属电极21与第二金属电极22采用不同材质的金属，当待测部位温度发生变化时，二者之间会产生相应的电势差，通过测量电势差的大小，可获得待测部位的温度。

在本实施例中，热电偶单元20的数量为三个，三个热电偶单元20交替串联设置。

进一步地，热电偶组件100还设有感温区50。感温区50即为每个热电偶单元20内的第一金属电极21与第二金属电极22连接处排列组成的区域。可以理解，第一金属电极21与第二金属电极22的连接处用于靠近被测部位进行测温，多个连接处并列设置，进而形成了用于感温的感温区50。

进一步地，在本申请的其他实施例中，热电偶单元20的数量可为一个或多个。多个热电偶单元20的第一金属电极21与第二金属电极22的排布方式不限于平行间隔排布，也可为层叠排布或环绕式排布等，只要能满足其中一端相连并能够接近待测部位进行测温即可。

可以理解，由于串联了多个热电偶单元20，在检测过程中，电极之间的电势差会成倍地放大，有助于提高热电偶组件100的检测精度。

热电偶冷端补偿电桥30与热电偶单元20设置于基材10的同一侧，且热电偶冷端补偿电桥30的第一定额电阻31与热敏电阻34之间通过引出的导线电连接第一金属电极21远离其与第二金属电极22连接处的一端。即外部检测模块通过热电偶冷端补偿电桥30连接热电偶组件100的冷端。

在本实施例中，基材10的材质可选用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)中的至少一种，但不限于此。PET和PI材质能够兼顾整体的柔韧性、稳定性、可靠性，在导热能力方面较为适合，且同时具有绝缘特性，能够防止电势差测量时由于基材10的传导产生误差。

进一步地，基材10的厚度优选为30μm-300μm，例如100μm，但不限于此。该厚度范围能够对其承载的其他元件起到较好的支撑并保证了基材不会隔热影响检测数据。在实际运用的过程中，依据所需的测量范围及空间限制选用合适的厚度即可。

在本实施例中，第一金属电极21的材质为铜镍合金，第二金属电极22的材质为铜。使用铜-铜镍合金的热电偶，具有测量范围广、稳定性与灵敏度较好、机械强度高、耐压性好、成本低廉的优点。可以理解，在本申请的其他实施例中，第一金属电极21与第二金属电极22的材质不限于铜镍合金和铜，也可依据所需的检测范围或成本考量选用合适的金属材质。

具体地，铜镍合金中，铜与镍的质量比范围优选为4:6到5:5之间，但不限于此。第一金属电极21与第二金属电极22一般通过表面溅射的方式与基材10相结合，但不限于此。

请参阅图2，本发明第二实施例提供一种热电偶组件100，用于测量温度，其包括基材10、至少一个热电偶单元20、上述热电偶冷端补偿电桥30、绝缘层40和感温区50。

第二实施例与上述第一实施例相类似，不同之处在于，增加设置的绝缘层40覆盖于热电偶单元20及热电偶冷端补偿电桥30远离基材10的一侧，绝缘层40用于防止热电偶单元20及热电偶冷端补偿电桥30内的金属氧化。

进一步地，绝缘层40的厚度优选为2μm-30μm，例如：3μm、15μm、25μm。该长度范围的绝缘层40可以在实现较好绝缘效果的同时辅助隔温。

请同时参阅图1与图2，本发明同时提供一种温度传感器200，用于检测温度。温度传感器200包括检测机构210和上述热电偶组件100。

检测机构210电连接第二金属电极22和热电偶冷端补偿电桥30内的第二定额电阻32与第三定额电阻33之间，即检测机构210连接热电偶单元20的热端，并通过热电偶冷端补偿电桥30连接热电偶单元20的冷端。

检测机构210用于感应第一金属电极21与第二金属电极22之间的电势差，从而依据该电势差计算出待测区域的温度。

可以理解，温度传感器200依据使用环境的变化，检测机构210可连接不同的热电偶组件100，从而实现在不同环境下使用。

本发明提出的热电偶冷端补偿电桥30、热电偶组件100及温度传感器200，由于新设计的补偿电桥及电桥内电阻材质选配方式，解决了传统热电偶的冷端补偿方法设置的电路存在的电路内元件冗杂，导致电路占用空间较大，且无法直接集成于热电偶内部的问题。本发明通过将热电偶冷端补偿电桥30集成于热电偶组件100内部，且使热敏电阻34靠近冷端设置，提高了补偿电桥的补偿精度，缩减了热电偶冷端补偿电桥30及热电偶组件100的体积。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化等用在本发明的设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种热电偶冷端补偿电桥，其特征在于，包括：

环形首尾连接的第一定额电阻、第二定额电阻、第三定额电阻和热敏电阻；

桥路电源，包括正极和负极，所述正极电连接于所述第一定额电阻与所述第二定额电阻之间，所述负极电连接于所述第三定额电阻与所述热敏电阻之间；

所述热敏电阻与所述第一定额电阻之间电连接热电偶的冷端。

2.如权利要求1所述的热电偶冷端补偿电桥，其特征在于，所述热敏电阻的材质为铜，所述第一定额电阻、所述第二定额电阻和所述第三定额电阻的材质为铜镍合金。

3.如权利要求1所述的热电偶冷端补偿电桥，其特征在于，所述热电偶冷端补偿电桥还包括：

限流电阻，所述限流电阻的一端电连接所述正极，另一端电连接于所述第一定额电阻与所述第二定额电阻之间。

4.如权利要求3所述的热电偶冷端补偿电桥，其特征在于，所述热敏电阻、所述第一定额电阻、所述第二定额电阻、所述第三定额电阻和所述限流电阻中至少一者的内部为S型弯曲状。

5.一种热电偶组件，其特征在于，包括：

基材；

热电偶单元，设置于所述基材的一侧，包括第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极的一端与所述第二金属电极的一端相连接；及

如权利要求1-4任一项所述的热电偶冷端补偿电桥，电连接于所述第一金属电极。

6.如权利要求5所述的热电偶组件，其特征在于，所述基材呈板状，所述热电偶单元与所述热电偶冷端补偿电桥设置于所述基材的同一侧。

7.如权利要求5所述的热电偶组件，其特征在于，所述第一金属电极的材质为铜镍合金，所述第二金属电极的材质为铜。

8.如权利要求5所述的热电偶组件，其特征在于，所述热电偶组件包括多个依次连接的所述热电偶单元；

多个所述第一金属电极与多个所述第二金属电极交替且串联设置。

9.如权利要求5所述的热电偶组件，其特征在于，所述热电偶组件还包括绝缘层；

所述绝缘层覆盖于所述热电偶单元远离所述基材的一面。

10.一种温度传感器，其特征在于，包括检测机构和如权利要求5-9任一项所述的热电偶组件；

所述检测机构的一端电连接所述第二定额电阻与所述第三定额电阻之间，另一端电连接所述第二金属电极；

所述检测机构用于感应所述第一金属电极与所述第二金属电极之间的电势差，并依据所述电势差获得检测温度。

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