CN1126514A - 电阻测量电路以及包含这种测量电路的电热装置、电温度计和致冷装置 - Google Patents

电阻测量电路以及包含这种测量电路的电热装置、电温度计和致冷装置 Download PDF

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Abstract

用于测量未知电阻(14)的双斜率测量电路。在第一次测量时，测量通过基准电阻器(6)将电容器(8)充电至第一基准电压(Uref1)所需的时间。在第二次测量时，测量通过基准电阻器(6)和未知电阻(14)的并联结构将电容器(8)充电至第一基准电压(Uref2)的时间。未知电阻(14)的值可从由此测出的两个时间间隔的比率算出。时间测量是从电容器(8)的电容电压(Uc)超过第二基准电压(Uref2)时开始的，第二基准电压(Uref2)介于第一基准电压(Uref1)和电容器(8)刚放电之后其上呈现的电容电压(Uc)之间。因此，放电开关(12)的欧姆电阻以及此电阻的扩散不会影响测量精度。

Description

电阻测量电路以及包含这 种测量电路的电热装置、 电温度计和致冷装置
本发明涉及一种用于测量电阻器的电阻值的测量电路，该电路包括：
电容器；
第一电阻器和第二电阻器，它们可连至电容器，以对电容器充电，由此形成电容器电压；
放电装置，用于对电容器放电；
第一基准电压源，用于产生第一基准电压；
第一比较装置，用于将电容器电压与第一基准电压相比较，并用于在电容器电压超过第一基准电压时产生第一检测信号；和
时间测量装置，用于测量第一时间间隔，此第一时间间隔是在由放电装置对电容器放电之后至通过第一电阻器对电容器充电过程中第一检测信号的产生而终止，并用于测量第二时间间隔，此第二时间间隔是在由放电装置对电容器放电之后至通过至少第二电阻器对电容器充电过程中第一检测信号的产生而终止。
本发明还涉及包括这种测量电路的电热装置、电温度计和致冷装置。
这种测量电路可从美国专利4910689中获知。在放电之后，通过第一电阻器对电容器充电，并测量将电容器充电至电容器电压等于第一基准电压所需的时间。此测量为第一次测量，测出的时间为第一时间间隔。随后，将第二电阻器与第一电阻器并联设置，并再次对电容器放电。此后，通过并联的第一电阻器和第二电阻器对电容器再次充电，并再次测量达到第一基准电压所需的时间。此测量为第二次测量，测出的时间为第二时间间隔。第一和第二时间间隔之间的比率等于第一电阻器的电阻值与并联的第一电阻器和第二电阻器的电阻值之间的比率。第一电阻器或第二电阻器的电阻值是已知的，它是基准电阻，因此另一电阻器的阻值即要测量的未知电阻可从此比率算出。
在这种已知的测量电路中，在第二次测量过程中，第二电阻器与第一电阻器并联设置。第一电阻器永久地连至电容器。但是，在第二次测量过程中，仅通过第二电阻器对电容器充电也是可能的。第一电阻器则在第二次测量过程中断开。未知电阻值则可再从所测出的时间间隔的比率导出。
未知电阻可以为随温度变化的电阻，例如热敏电阻或NTC(负温度系数)电阻。电阻测量则变为电阻器的温度的测量。在这种情况下，该测量电路非常适于应用在电热装置、电温度计和致冷装置中，所述电热装置为例如熨斗、煮咖啡器、电水壶、深煎锅、电烤器、电炊具(cook-top)、电烤箱、电烤架、电热盘、室内加热装置、辐射加热器、对流(fan)加热器、吹风机、卷发器、烤面包器、三明治烤炉、电热毯和类似装置，电温度计和致冷装置为例如制冰机、食品加工器、冰箱、冷冻箱、空调器和类似装置。
在电容器放电过程中，将有两股电流流经放电装置。首先是放电电流，当电容器短路时它降至零。其次是大致恒定的充电电流，其幅度在第一次测量开始时主要由第一电阻决定，而在第二次测量开始时主要由并联的第一和第二电阻决定。由于放电装置的有限电抗，充电电流在放电装置两端产生压降，在第一或第二次测量开始时，如果放电装置的放电路径是断开的，此压降将作为剩余电压留在电容器上。剩余电压影响将电容器充电至第一基准电压所需的时间并因此影响第一和第二时间间隔的长度。在第二次测量过程中，第一和第二电阻器是并联的，因此在第二次测量开始时的充电电流比第一次测量开始时要大。所以，每次测量时电容器上的剩余电压是不同的。另外，若未知电阻为NTC电阻，剩余电压的这种差异还会作为温度的函数变化。因此，这些剩余电压会导致不准确的测量。
本发明的目的是要提高上述的测量电路的精度。为此，本发明的特征在于，该测量电路还包括：
第二基准电压源，用于提供第二基准电压，此电压介于第一基准电压和电容器刚放电之后的电容器电压之间；
第二比较装置，用于将电容器电压与第二基准电压相比较，并在电容器电压超过第二基准电压时产生第二检测信号；并且
第一时间间隔和第二时间间隔起始于第二检测信号的产生之时。
时间测量延迟至电容器电压已充分地增大。这是由第二检测信号指示的，在此之后才开始时间测量。结果，电容器上的剩余电压不再起作用。
采用本发明的一个实施例，可以显著地减少部件数量，该实施例的特征在于，第一比较装置和第二比较装置合并为单一的比较器，且第一基准电压源和第二基准电压源合并为单一基准电压源，其基准电压可在第二检测信号产生之后从第二基准电压置换为第一基准电压。
根据本发明，一种具有可转换的基准电压的简单的单一基准电压源的特征在于其包括：
分压器，带有串联结构的第三电阻器和第四电阻器；
第五电阻器；和
转换装置，用于在第二检测信号产生之前将第五电阻器与第三电阻器并联连接，并用于在第二检测信号产生之后将第五电阻器与第四电阻器并联连接。
下面将参照附图对本发明的这些和其它方面给予说明和解释，附图中；
图1示出根据本发明的测量电路的第一种电路图；
图2示出根据本发明的测量电路中产生的信号的一些波形；
图3示出根据本发明的测量电路的第二种电路图；
图4示出根据本发明的测量电路的第三种电路图；
图5示出包含根据本发明的测量电路的电熨斗的电连接图；
图6为包含根据本发明的测量电路的电熨斗的剖视图；
图7示出包含根据本发明的测量电路的电熨斗的电路图。
在这些图，相同元件标以相同参考数字。
图1示出根据本发明的测量电路。由在节点10上互连的第一电阻器6和电容器8组成的串联结构连接于电源正极端子2与负极端子4之间，端子4被假设接地。放电开关12与电容器8并联，并可借助第一开关信号S1打开和关闭。第二电阻器14和并联开关16的串联结构与第一电阻器6并联布置。并联开关16可借助第二开关信号S2打开和关闭，结果是，第二电阻器14与第一电阻器6并联连接或者不并联连接。第一比较器18具有连至节点10的一个输入端和连至第一基准电压源20的另一输入端，第一基准电压源20产生第一基准电压Uref1。第一比较器18提供第一检测信号D1，如果节点10处的电容器电压Uc超过第一基准电压Urefl，信号D1的值会改变。第二比较器22也具有连至节点10的一个输入端，并具有连至第二基准电压源24的另一输入端，电压源24产生第二基准电压Uref2。第二比较器22提供第二检测信号D2，如果节点10处的电容器电压Uc超过第二基准电压Uref2，信号D2的值会改变。第二基准电压Uref2的值介于第一基准电压Uref1和剩余电压Ucr之间，电压Ucr是在电容器8刚通过放电开关12放电之后其上存在的电压。
检测信号D1和D2加至微控制器(又称微处理器)26的输入端，在存储于ROM(只读存储器)28中的程序的控制下，微控制器26提供测量电路的定时，并且还产生用于控制放电开关12和并联开关16的开关信号S1和S2。微控制器26的程序包含在由检测信号D1和D2界定的时间间隔内统计时钟脉冲(未示出)的子程序、在RAM(随机存取存储器)30存储计数的子程序、对计数进行数学计算的子程序，以及根据测量电路的应用将数学计算的结果加至例如显示器32或数一模转换器34上的子程序。
如果第一电阻器6的阻值是已知的，该测量电路可测量第二电阻器14的阻值，反之亦然。因此，两电阻器中的一个用作已知的基准电阻，而另一个是要测量的未知电阻。如果示知电阻是NTC(负温度系数)电阻，所进行的电阻测量将也是这个电阻器的温度的测量。在这种情况下，最好将此NTC电阻器设置于第二电阻器14的位置上。正如后面将更清楚地说明的那样，电容器8被两次充电，一次是通过第一电阻器6充电，另一次是通过第一电阻器6和第二电阻器14并联来充电。通过将NTC电阻器设置在第二电阻器14的位置上，可保证在电阻器并联情况下对电容器8充电的时间常数小于在电阻器不并联情况下的时间常数。这简化了测量电路的计时。
下面参照图2说明该测量电路的工作原理，图2示出一些信号波形。在瞬时t1打开放电开关12并接着进行第一次测试。在这个瞬时的电容器电压Uc等于第一剩余电压Ucr1，后者是由通过放电开关12的充电电流形成的。放电开关12的内阻是有限的，在晶体管开关情况下可为几百欧姆。晶体管开关通常设在微控制器26中，并可能呈现正向电阻的显著扩展(Spread)。从瞬时t1起，电容器电压Uc从第一剩余电压Ucr1按第一时间常数τ1增大，此常数τ1是由第一电阻器6的阻值R1和电容器8的电容C决定的(图2(a))。在瞬时t2，电容器电压Uc达到第二基准电压Uref2的值，于是第二检测信号D2的值改变(图2(d))。在同一瞬时，由微控制器26开始第一时钟脉冲计数CNT1。在瞬时t3，电容器电压Uc达到第一基准电压Uref1的值，于是第一检测信号D1的值改变(图2(e))。现在停止计数CNT1。时钟脉冲CNT1的数量是对第一时间间隔的测量，此第一时间间隔dt1＝t3-t2，它是(电容电压Uc)在通过第二基准电压Uref2和第一基准电压Uref1之间经历的时间。时钟脉冲计数CNT1随后存储于RAM30中。为便于计算第一时间间隔dt1，假设：Udd为电源正极端子2相对于地的电压，τ1＝R1×C，t1＝0。那么电容器电压Uc按下式变化： Uc ( t ) = Ucr 1 + ( Udd - Ucr 1 ) ( 1 - e - r τ 1 ) - - - ( 1 ) 在瞬时t2的Uc(t2)＝Uref2，在瞬时t3的Uc(t3)＝Uref1。从等式(1)可导出下式： dt 1 = t 3 - t 2 = - τ 1 ln [ Udd - Ure f 1 Udd - Ure f 2 ] - - - ( 2 ) 在瞬时t3之后，在适当瞬时t4，电容器8响应于第一开关信号S1的值的改变(图2(b))而放电。稍后，在瞬时t5，并联开关16根据第二开关信号S2(图2(c))的指令也关闭了。放电过程产生的结果是，检测信号D1和D2的值改变了。现在第一电阻器6和第二电阻器14是并联的，有较大的电流流经放电开关12，因此第二剩余电压Ucr2也高于第一剩余电压Ucr1。在瞬时t6，放电开关12再次打开，现在便开始了第二次测量。从瞬时t6开始，电容器电压Uc从第二剩余电压Ucr2起按第二时间常数τ2增大，第二时间常数τ2是由第一电阻器6与第二电阻器14并联的阻值Rp和电容器8的电容C决定的(图2(a))。在瞬时t7，电容器电压Uc再次达到第二基准电压Uref2，于是第二检测信号D2的值再次改变(图2(d))。在同一瞬间，由微控制器26开始进行第二时钟脉冲计数CNT2。在瞬时t8，电容器电压Uc达到第一基准电压Uref1，于是第一检测信号D1的值再次改变(图2(e))。现有停止计数CNT2。时钟脉冲计数CNT2是对第二时间间隔的测量，第二时间间隔dt2＝t8-t7，它是(电容器电压Uc)在通过第二基准电压Uref2和第一基准电压Uref1之间经历的时间。时钟脉冲计数CNT2随后存储于RAM30中。为便于计算第二时间间隔dt2，进一步假设：R2为第二电阻器14的阻值，t2＝Rp×C，Rp＝R1×R2/(R1＋R2)，和t6＝0。于是电容器电压Uc按与等式(1)相同的等式变化。在瞬时t7的Uc(t7)＝Uref2，在瞬时t8的Uc(t8)＝Uref1。现在从等式(1)可导出下式： dt 2 = t 8 - t 7 = - τ 2 ln [ Udd - Uref 1 Udd - Uref 2 ] - - - ( 3 ) 对于给定的值R1，可由dt1和dt2之间的比率计算出电阻值R2。可以看出，此比率等于R1/R2，因此仅取决于R1值和R2值。微控制器26对计数CNT1和CNT2进行简单计算，以计算出第二电阻器14的阻值R2。如果第二电阻器14为NTC电阻器，由此算出的值要与ROM28中的一个表相比较，并转换成一个信号，此信号的量值表示相关NTC电阻器的温度。如果该电路用于电温度计中，这个温度信号将以适宜的方式示于显示器32上。
如图2(a)所示，电容器8的放电过程可根据需要延长。因此，开关信号S1和S2的定时可如此选择，即保证电容器8不过早地以任意值的时间常数τ2放电。如果第二电阻器为NTC电阻器，其阻值可以从低温时几百千欧变为高温时的几百欧。现在将NTC电阻器设置在第二电阻器14的位置上，可保证在并联电阻器的情况下对电容器8充电的时间常数小于电阻器不并联情况下的时间常数。当然，除采用带RAM和ROM的微控制器之外，也可采用独立的计时器、计数器、寄存器和类似装置，来控制放电开关12和并联开关16以及进行数学计算。放电开关12和并联开关16可由带继电器触点的继电器或晶体管开关构成。例如，放电开关12为NMOS或NPN晶体管，并联开关16为PMOS或PNP晶体管。
图3示出一种简化的测量电路。第一基准电压源20和第二基准电压源24可由单一的可控电压源36替代，电压源36的电压通过由第三开关信号S3控制的接口电路38转换。图2(f)示出此第三开关信号S3的定时。在电容器电压Uc刚超过第二基准电压Uref2(t2，t7)之后不久，基准电压从Uref2转换为Uref1。现在仅需要一个比较器40，此比较器40的一个输入端连至节点10，另一输入端则连至可控电压源36。
在图1所示的测量电路中，在第二次测量过程中，第二电阻器14与第一电阻器6并联。第一电阻器6永久地连至电容器8。不过，在第二次测量过程中，也可仅通过第二电阻器14对电容器8充电。第一电阻器6则在第二次测量过程中断开。并联开关16则变成转换开关，在第一次测量过程中它将第一电阻器6连至电容器8，而在第二次测量过程中它将第二电阻器14连至电容器8。这种结构使得也能从所测出的时间间隔计算未知电阻的阻值。除并联开关16外，这种转换开关也可用于以下的实施例中。
图4示出一种进一步简化的测量电路。在这种情况下，可控电压源36和接口电路38是由第三电阻器42、第四电阻器46和第五电阻器38(替代)构成的，第三电阻器42连于电源负极4和节点44之间，第四电阻器46连于节点44和电源正极2之间，第五电阻器48的一端连至节点44，另一端可连至电源正极端子2或电源负极端子4，这是由第三开关信号控制FS3通过转换开关4实现的。比较器40的输入端连至节点10和44。较低的基准电压Uref2是通过将第五电阻器48与第三电阻器42并联获得的。较高的基准电压Uref1是通过将第五电阻器48与第四电阻器46并联获得的。
图5示出用于电热装置例如电熨斗中的测量电路。电子元件安装在印刷电路板52上。第二电阻器14为与底板54接触的NTC电阻器，底板54由电热元件56加热。第二电阻器14连至端子58和60，电热元件56连至印刷电路板52的端子62和64。图6为熨斗的剖视图，图7示出印刷电路52的电路图。底板54的温度可通过连至微控制器26的输入接口的选择开关66设定。电热元件56借助于继电器68接通和断开，继电器68由微控制器26通过控制晶体管70驱动。所测出的底板54的温度要与通过选择开关66设定的温度相比较。如果温度太低，继电器68便被驱动，结果是，电热元件56由a.c(交流)线路供电并加热底板54。当达到所要求的温度时，继电器不再被驱动，因此电热元件56的供电中断。
图7所示的电路还适于用在具有电热元件且带有或不带温度控制的其它电热装置中，例如煮咖啡器、电水壶、深煎锅、电烤器、电炊具、电烤箱、电烤架、电热盘、室内加热装置、辐射加热器、对流加热器、吹风机、卷发器、烤面包器、三明治烤炉、电热毯和类似装置。
如果不用电热元件56，而是采用致冷单元72，图7中所示的电路也可用于致冷装置中，例如制冰机、食品加工机、冰箱、冷冻箱、空调器和类似装置。

Claims (10)

1.一种测量电路，用于测量电阻器的阻值，该电路包括：
电容器(8)；
第一电阻器(6)和第二电阻器(14)，它们可连至电容器(8)，以对电容器(8)充电，从而形成电容器电压(UC)；
放电装置(12)，用于对电容器(8)放电；
第一基准电压源(20)，用于产生第一基准电压(Uref1)；
第一比较装置(18)，用于将电容电压(UC)与第一基准电压(Uref1)相比较，并用于在电容器电压(UC)超过第一基准电压(Uref1)时产生第一检测信号(D1)；
时间测量装置(26-30)，用于测量第一时间间隔和第二时间间隔，第一时间间隔是指在通过放电装置(12)对电容器(8)放电之后至在通过第一电阻器(6)对电容器(8)充电过程中第一检测信号(D1)的产生而终止，第二时间间隔是指在通过放电装置(12)对电容器(8)放电之后至在通过至少第二电阻器(14)对电容器(8)充电过程中第二检测信号(D2)的产生而终止，该测量电路的特征在于还包括：
第二基准电压源(24)，用于提供第二基准电压(Uref2)，第二基准电压介于第一基准电压(Uref1)和电容器(8)刚放电后的电容器电压之间；
第二比较装置(22)，用于将电容电压(UC)与第二基准电压(Uref2)相比较，并用于在电容器电压(UC)超过第二基准电压(Uref2)时产生第二检测信号(D2)；并且
第一时间间隔和第二时间间隔始于第二检测信号(D2)的产生。
2.根据权利要求1的测量电路，其特征在于，第一比较装置(18)和第二比较装置(22)集成为单一比较器(40)，第一基准电压源(20)和第二基准电压源(24)集成为单一基准电压源(36)，电压源(36)的基准电压在第二检测信号(D2)产生后可从第二基准电压(Uref2)转换为第一基准电压(Uref1)。
3.根据权利要求1或2的测量电路，其特征在于，单一基准电压源(36)包括：
分压器，带有第三电阻器(42)和第四电阻器(46)之串联结构；
第五电阻器(48)；和
转换装置(50)，用于在第二检测信号(D2)产生之前将第五电阻器(48)与第三电阻器(42)并联，并用于在第二检测信号(D2)产生之后将第五电阻器(48)与第四电阻器(46)并连。
4.根据权利要求1、2或3的测量电路，其特征在于，第二电阻器(14)为随温度变化的电阻器(NTC)。
5.根据权利要求1、2、3或4的测量电路，其特征在于，放电装置(12)和转换装置(16，50)为晶体管。
6.一种电热装置，其特征在于包括：
电热元件(56)；
热敏电阻器(14)；
控制装置(26-30，70，68)，用于根据热敏电阻器(14)的阻值控制电热元件(56)的供电；和
根据权利要求1、2、3、4或5的测量电路，其中第一电阻器(6)或第二电阻器(14)为热敏电阻器。
7.根据权利要求6的电热装置，其特征在于它为下列装置中的一种：熨斗、煮咖啡器、电水壶、深煎锅、电烤器、电炊具、电烤箱、电烤架、电热盘、室内加热器、辐射加热器、对流加热器、干发器、卷发器、烤面包器、三明治烤炉、电热毯。
8.一种电温度计，其特征在于包括：
热敏电阻器(14)；
根据权利要求1、2、3、4或5的测量电路，其中第一电阻器(6)或第二电阻器(14)为热敏电阻器(14)；
用于产生表示热敏电阻器(14)的阻值的电信号的装置(26-30)；和
用于根据电信号指示温度的指示装置(32)。
9.一种致冷装置，其特征在于包括：
致冷单元(72)；
热敏电阻器(14)；
控制装置(26-30，70，68)，用于根据热敏电阻器(14)的阻值控制致冷单元；和
根据权利要求1、2、3、4或5的测量电路，其中第一电阻器(6)或第二电阻器(14)为热敏电阻器(14)。
10.根据权利要求9的致冷装置，其特征在于，它是下列装置中的一种：制冰机、食品加工机。冰箱、冷冻箱、空调器。
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