CN112304466B - 一种多通道扫描式温度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多通道扫描式温度测量装置，包括：通过双ADC交叉采样测量方法，引入两个ADC同时对标准电阻和热敏电阻两端的电压进行采集，以消除分时采集带来的误差，但是引入两个ADC同时也会引入由两个ADC性能不同带来的误差，因此采用交叉采样法，首先第一ADC采集标准电阻两端电压，同时第二ADC采集热敏电阻两端电压；之后第一ADC采集热敏电阻两端电压，同时第二ADC采集标准电阻两端电压，减少引入两个ADC带来的误差。同时结合使用了引入标准电阻进行对比测量、恒流源倒向法、平滑滤波法、设置隔离等技术手段。本发明消除了单ADC分时对标准电阻和热敏电阻进行对比测量过程中由恒流源输出电流不稳定带来的误差，同时简化了恒流源的设计。
Description
技术领域
本发明属于温度测量技术领域，更具体地，涉及一种多通道扫描式温度测量装置。
背景技术
现有技术使用热敏电阻进行温度测量的电路设计，采用的基本原理是欧姆定律，通过测量热敏电阻两端的电压得到电阻的阻值，随后根据热敏电阻随温度变化阻值变化的特性实现温度的测量。但是实现方式并不完全相同，现有技术中为得到高精度的温度测量值，采用引入标准电阻进行对比测量、恒流源倒向法以及算法上优化等消除测量误差的方法，但是这些技术手段消除的误差有限，无法达到mK甚至更高等级的温度测量精度。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多通道扫描式温度测量装置，旨在解决mK甚至更高等级精度的温度测量的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种多通道扫描式温度测量装置，包括：控制模块、采集模块以及N个测温模块；其中，所述采集模块连接N个测温模块，每个测温模块放置于待测温度的空间内，不同的测温模块可以放置于不同的待测温度空间内；N为大于1的整数；
采集模块包括：第一ADC、第二ADC以及标准电阻；每个测温模块包括：热敏电阻；所述标准电阻分别和各个测温模块的热敏电阻串联，组成N个串联支路；所述标准电阻的阻值不会随着温度而变化，热敏电阻的阻值随着温度的变化而变化；所述控制模块控制N个串联支路扫描式循环导通，采集模块扫描式循环采集各个串联支路中的标准电阻和热敏电阻两端的电压数据；
采集模块采集其中一个串联支路中的标准电阻和热敏电阻两端的电压数据，具体为：首先对标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流，使用第一ADC采集标准电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集热敏电阻两端的电压；然后对标准电阻和热敏电阻两端通入反向电流，使用第一ADC采集标准电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集热敏电阻两端的电压；之后依然对标准电阻和热敏电阻两端通入反向电流，使用第一ADC采集热敏电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集标准电阻两端的电压；然后对标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流，使用第一ADC采集热敏电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集标准电阻两端的电压；所述控制模块分别基于各个串联支路对应的八个电压数据和所述标准电阻的阻值确定各个串联支路中的热敏电阻阻值，并基于各个热敏电阻阻值和热敏电阻的类型确定对应的测温模块所在空间点的温度。
其中，正向电流和反向电流分别对应恒流源的正向和倒向。
在一个可选的实施例中，控制模块基于采集模块采集到一个串联支路的八个电压数据和所述标准电阻的阻值确定热敏电阻的阻值，具体为：
其中，RL为热敏电阻的阻值，RS为标准电阻的阻值，URL1为通入正向电流时第二ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL2为通入反向电流时第二ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL3为通入反向电流时第一ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL4为通入正向电流时第一ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URS1为通入正向电流时第一ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS2为通入反向电流时第一ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS3为通入反向电流时第二ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS4为通入正向电流时第二ADC采集的标准电阻两端的电压值。
在一个可选的实施例中，该装置还包括：模拟开关电路；
所述模拟开关电路用于将第一ADC和第二ADC连接在标准电阻的两端，以及将第一ADC和第二ADC连接在各个热敏电阻的两端；还用于将正向电流通入热敏电阻和标准电阻，以及将反向电流通入热敏电阻和标准电阻；还用于将N个测温模块扫描式循环与所述标准电阻串联。
采集模块采集其中一个串联支路中的标准电阻和热敏电阻两端的电压数据时：所述模拟开关电路处于第一种工作状态时，正向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集标准电阻两端的电压，第二ADC采集热敏电阻两端的电压；所述模拟开关电路处于第二种工作状态时，反向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集标准电阻两端的电压，第二ADC采集热敏电阻两端的电压；所述模拟开关电路处于第三种工作状态时，反向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集热敏电阻两端的电压，第二ADC采集标准电阻两端的电压；所述模拟开关电路处于第四种工作状态时，正向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集热敏电阻两端的电压，第二ADC采集标准电阻两端的电压。
采集模块采集完毕其中一个串联支路后，所述模拟开关电路将下一个测温模块与标准电阻串联，构成下一个串联支路，所述采集模块继续按上述方式采集。
在一个可选的实施例中，采用浮地测量方法隔离测量电路中的共模电压；对控制模块和采集模块，以及采集模块中第一ADC和第二ADC和正反向电流产生电路的电源模块隔离；对控制模块、采集模块以及测温模块相互隔离。
在一个可选的实施例中，对控制模块依据采集模块采集的八个电压值以及标准电阻的阻值计算得到的热敏电阻阻值进行平滑滤波以消除温度漂移对应的误差。
在一个可选的实施例中，所述多通道扫描式温度测量装置的各个通道在进行第一次温度测量时，采集模块采集各个通道下串联支路的八个电压数据M次，并对应求取M个热敏电阻阻值；所述控制模块对所述M次八个电压数据和M个热敏电阻阻值平滑滤波，以计算对应的热敏电阻值；M为大于1的整数；
在各个通道进行后续的温度测量时，采集模块采集所述八个电压数据1次，并对应求取1个热敏电阻阻值；所述控制模块结合之前采集的M-1次八个电压数据和求取的M-1个热敏电阻阻值，对对应的M次八个电压数据和M个热敏电阻阻值平滑滤波，以计算对应的热敏电阻值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种多通道扫描式温度测量装置，通过双ADC交叉采样测量方法，引入两个ADC同时对标准电阻和热敏电阻两端的电压进行采集，以消除分时采集带来的误差，第一ADC的转化比例系数为K1，第二ADC的转化比例系数为K2，因此采用交叉采样法，首先第一ADC采集标准电阻两端电压，同时第二ADC采集热敏电阻两端电压；之后第一ADC采集热敏电阻两端电压，同时第二ADC采集标准电阻两端电压，如此K1与K2两个比例系数都在标准电阻和热敏电阻的电压转化数字量过程中起到作用，最后得到的四个电压数值做比即可消除K1与K2不同带来的影响，减少引入两个ADC带来的误差。同时结合使用了引入标准电阻进行对比测量、恒流源倒向法、平滑滤波法、设置隔离等技术手段，使得测量精度更高。
本发明提供一种多通道扫描式温度测量装置，消除了单ADC分时对标准电阻和热敏电阻进行对比测量过程中由恒流源输出电流不稳定带来的误差，同时简化了恒流源的设计；消除了更多的误差，最终测量精度得到了大幅提升；从硬件上消除误差提高测量精度，减少了开发投入的人力以及时间成本等。
附图说明
图1是本发明实施例提供的双ADC同步采样电路原理图；
图2是本发明实施例提供的双ADC交叉采样电路原理图；
图3是本发明实施例提供的带恒流源倒向的双ADC交叉采样电路原理图；
图4是本发明实施例提供的平滑滤波程序流程图；
图5是本发明实施例提供的电源隔离设计图；
图6是本发明实施例提供的恒流源电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明利用热敏电阻的特性，并加一标准电阻与其进行对比测量，使用恒流源对二者进行激励，利用集成运算放大器对二者两端电压进行放大，进一步地利用ADC采集经过运算放大器并滤波后的电压，将得到的数字量传输至主控芯片进行运算，并将最终的温度结果显示。
如上述，采用热敏电阻与标准电阻进行对比测量方案，使用恒流源对二者进行激励。恒流源具有电流随时间波动的特性，所以在使用单ADC分别进行电压采集的过程中，经过热敏电阻和标准电阻的电流有一定的差异，给最终的测量结果带来一定的误差。在本发明中，设置双ADC同步采样，同时对热敏电阻和标准电阻进行采样，消除恒流源带来的误差。形成的采集方案见图1。
其中RS为标准电阻，RL为热敏电阻，随后依次为集成运算放大器、滤波器、ADC。集成运算放大器、滤波器、ADC为采样电路一般都有的元器件。
进一步地，各ADC之间存在一定的性能差异，引起ADC转化之后得到的数字量与理想状态不同，对最终的结果产生一定的影响。在本发明中，采用交叉采样方案消除两个ADC之间此类型的性能差异。方案图见图2。
具体实现方法为：在一次温度测量中，同时使用ADC1与ADC2对标准电阻和热敏电阻两端电压进行采集，之后通过模拟开关交换电路连接，同时使用ADC1与ADC2对热敏电阻和标准电阻两端电压进行采集，共得到四个数据，相应的在控制芯片中进行运算时，通过比运算将两个ADC之间的性能差异与分时采集带来的电流差异进行消除。
本发明引入两个ADC同时对标准电阻和热敏电阻两端的电压进行采集，以消除分时采集带来的误差，但是引入两个ADC同时也会引入由两个ADC性能不同带来的误差，因为即使是同一型号的ADC，由于生产工艺等的细微不同其表现出的性能也存在区别，主要体现在增益误差、积分非线性误差、微分非线性误差的不同上。而这些误差的不同对于阻值近似的标准电阻以及热敏电阻两端电压采集过程来说，主要表现在理想转化数字量与实际转化数字量之间的比例系数K不同，即第一ADC的转化比例系数为K1，第二ADC的转化比例系数为K2。
因此本发明采用交叉采样法，首先第一ADC采集标准电阻两端电压，得到URS1＝K1*IT1*RS，同时第二ADC采集热敏电阻两端电压，得到URL1＝K2*IT1*RL；之后第一ADC采集热敏电阻两端电压，得到URL2＝K1*IT2*RL，同时第二ADC采集标准电阻两端电压，得到URS2＝K2*IT2*RS，后利用公式
消除K1与K2，减少引入两个ADC带来的误差。其中，IT1是交叉采样前通过标准电阻和热敏电阻的电流，IT2是交叉采样后通过标准电阻和热敏电阻的电流。
需要指出的是，此方案并不能完全消除两个ADC之间的差异，比如线性度，所以在进行芯片选型时应该注意这方面的参数。同时，采用模拟开关虽然会引入一定的误差，但是在误差范围内，并且会大大减少切换的时间，并且减少了工作时的噪声。
进一步地，集成运算放大器拥有失调电流、漏电流等误差，各元器件与焊板的焊接点存在接触热电势与温差电动势等误差，此类误差具有不随电流方向改变而改变的特点。在本发明中，采用恒流源倒向的方式对此类误差进行消除。方案如图3。
具体实现方法为：规定向上为正向电流，首先采用正向电流进行测量，此时ADC1测量RS的电压，ADC2测量RL的电压；随后采用反向电流进行测量，此时ADC1测量RS的电压，ADC2测量RL的电压；再进行交叉采样，采用反向电流进行测量，此时ADC2测量RS的电压，ADC1测量RL的电压；随后采用正向电流进行测量，此时ADC2测量RS的电压，ADC1测量RL的电压。共得到8个数据，相应的，在控制芯片的算法中采用减运算和比运算对此8个数据进行处理，最终可以将此类误差消除。
进一步地，电路中仍存在很多误差与漂移，比如各元器件的温度漂移等，因此最终的结果仍然带有一定的误差。在此发明中，采用平滑滤波的方式对这些误差进行进一步的消除。具体实现方案是在一次温度测量中，重复上述的测量过程六次，并最终取平均值，得到最终的测量结果。此部分的算法设计流程图见图4。
进一步地，采集策略完成之后，本方案在三个部分设置了隔离，以进一步地减少误差，分别是采用浮地测量技术减少共模电压的误差、对电源模块进行隔离减少电源模块对采集电路带来的误差、在各模块之间设置隔离减少对噪声敏感模块带来的误差。浮地测量技术使得整个测量电路不受大地电流的影响，阻止共地阻抗电路耦合产生的电磁干扰。电源模块设计树以及隔离设计见图5。各模块之间的隔离通过隔离IO来实现，在控制模块与采集模块接口处以及信号调理电路与采集电路前端设置了隔离IO口，实现了隔离。
进一步地，本发明采用模拟开关作为切换方式，模拟开关本身具有漏电流以及通道间串扰的特性，会给测量电路带来一定的影响，进而影响到测量的误差，如果恒流源产生的电流较小，模拟开关的漏电流对其产生的影响会比较大；如果增大恒流源产生的电流，模拟开关的漏电流对其产生的影响就会减少，进而会提高信噪比。所以为了减少模拟开关的误差影响，针对恒流源电路的参考电压对其限流电阻进行设计，让恒流源输出的电流较大，提高电路的信噪比，从而达到减少噪声影响，提高精度的作用。可见，在高精度温度测量过程中，采用模拟开关作为切换方式的话，限流电阻需要根据Vref的值进行设置，在本设计实例中Vref为2.5V，限流电阻需要小于20K。对应于图6中的电阻R。图6中，Vref为参考电压，R为限流电阻，RL为上述标准电阻和热敏电阻串联形成的串联支路的代表，Is为运算放大器的偏置电流，Ir1为恒流源最终产生的电流，Ir为通过限流电阻的电流。
本发明在板卡上通过为主控芯片分配引脚设置扫描开关，已达到设置特定通道采集的作用，通过扫描开关的通断为此通道分配参加采集和不参加采集两种状态，以避免在少于全部通道采集时产生的额外采集时间。全部通道集成在一个多口接口上，将热敏电阻传感器接在接口上即可进行温度采集。因此，本产品最终为一个采集板卡，与其相匹配的热敏电阻传感器，外壳以及必须的线路，体积小，便于集成。控制板卡通过485通讯协议实现与PC的通信。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种多通道扫描式温度测量装置，其特征在于，包括：控制模块、采集模块以及N个测温模块；其中，所述采集模块连接N个测温模块，每个测温模块放置于待测温度的空间内，不同的测温模块可以放置于不同的待测温度空间内；N为大于1的整数；
采集模块包括：第一ADC、第二ADC以及标准电阻；每个测温模块包括：热敏电阻；所述标准电阻分别和各个测温模块的热敏电阻串联，组成N个串联支路；所述标准电阻的阻值不会随着温度而变化，热敏电阻的阻值随着温度的变化而变化；所述控制模块控制N个串联支路扫描式循环导通，采集模块扫描式循环采集各个串联支路中的标准电阻和热敏电阻两端的电压数据；
采集模块采集其中一个串联支路中的标准电阻和热敏电阻两端的电压数据，具体为：首先对标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流，使用第一ADC采集标准电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集热敏电阻两端的电压；然后对标准电阻和热敏电阻两端通入反向电流，使用第一ADC采集标准电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集热敏电阻两端的电压；之后依然对标准电阻和热敏电阻两端通入反向电流，使用第一ADC采集热敏电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集标准电阻两端的电压；然后对标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流，使用第一ADC采集热敏电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集标准电阻两端的电压；
所述控制模块分别基于各个串联支路对应的八个电压数据和所述标准电阻的阻值确定各个串联支路中的热敏电阻阻值，并基于各个热敏电阻阻值和热敏电阻的类型确定对应的测温模块所在空间点的温度；
所述控制模块基于采集模块采集到一个串联支路的八个电压数据和所述标准电阻的阻值确定热敏电阻的阻值，具体为：
其中，RL为热敏电阻的阻值，RS为标准电阻的阻值，URL1为通入正向电流时第二ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL2为通入反向电流时第二ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL3为通入反向电流时第一ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL4为通入正向电流时第一ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URS1为通入正向电流时第一ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS2为通入反向电流时第一ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS3为通入反向电流时第二ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS4为通入正向电流时第二ADC采集的标准电阻两端的电压值；
所述装置还包括：模拟开关电路；
所述模拟开关电路用于将第一ADC和第二ADC连接在标准电阻的两端，以及将第一ADC和第二ADC连接在各个热敏电阻的两端；还用于将正向电流通入热敏电阻和标准电阻，以及将反向电流通入热敏电阻和标准电阻；还用于将N个测温模块扫描式循环与所述标准电阻串联；
采集模块采集其中一个串联支路中的标准电阻和热敏电阻两端的电压数据时：所述模拟开关电路处于第一种工作状态时，正向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集标准电阻两端的电压，第二ADC采集热敏电阻两端的电压；所述模拟开关电路处于第二种工作状态时，反向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集标准电阻两端的电压，第二ADC采集热敏电阻两端的电压；所述模拟开关电路处于第三种工作状态时，反向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集热敏电阻两端的电压，第二ADC采集标准电阻两端的电压；所述模拟开关电路处于第四种工作状态时，正向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集热敏电阻两端的电压，第二ADC采集标准电阻两端的电压；
采集模块采集完毕其中一个串联支路后，所述模拟开关电路将下一个测温模块与标准电阻串联，构成下一个串联支路，所述采集模块继续按上述方式采集。
2.根据权利要求1所述的多通道扫描式温度测量装置，其特征在于，采用浮地测量方法隔离测量电路中的共模电压；对控制模块和采集模块，以及采集模块中第一ADC和第二ADC和正反向电流产生电路的电源模块隔离；对控制模块、采集模块以及测温模块相互隔离。
3.根据权利要求1所述的多通道扫描式温度测量装置，其特征在于，对控制模块依据采集模块采集的八个电压值以及标准电阻的阻值计算得到的热敏电阻阻值进行平滑滤波以消除温度漂移对应的误差。
4.根据权利要求1所述的多通道扫描式温度测量装置，其特征在于，所述多通道扫描式温度测量装置的各个通道在进行第一次温度测量时，采集模块采集各个通道下串联支路的八个电压数据M次，并对应求取M个热敏电阻阻值；所述控制模块对所述M次八个电压数据和M个热敏电阻阻值平滑滤波，以计算对应的热敏电阻值；M为大于1的整数；
在各个通道进行后续的温度测量时，采集模块采集所述八个电压数据1次，并对应求取1个热敏电阻阻值；所述控制模块结合之前采集的M-1次八个电压数据和求取的M-1个热敏电阻阻值，对对应的M次八个电压数据和M个热敏电阻阻值平滑滤波，以计算对应的热敏电阻值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Effective date of registration: 20220125 Address after: 430075 No.8, Ligou South Road, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Applicant after: Wuhan micro environmental control technology Co.,Ltd. Address before: 430075 No.8, Ligou South Road, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Applicant before: WUHAN INTELLIGENT EQUIPMENT INDUSTRIAL INSTITUTE Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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