CN114112093B - 一种采样信号线性化的热电阻测温电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电阻测温技术领域，具体公开了一种采样信号线性化的热电阻测温方法，包括电源电路、非线性补偿电路、减法运算电路、调零电路和放大电路，电源电路由电阻R4和直接输出2.5V的基准电压芯片组成；非线性补偿电路由放大器IC1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻Rt组成，减法运算电路并联在所述电阻Rt的两端；放大电路与减法运算电路连接，调零电路的一端连接在电阻R4和基准电压芯片之间，另一端与放大电路连接。本发明非线性补偿部分突破了常用的从运算放大器的输出端输出采样信号的做法，改为从同相输入端输出采样信号，使电路大为简化；利用减法运算电路与四线制热电阻相结合，完全消除了引线电阻随环境温度变化引起的测量误差。

Description

一种采样信号线性化的热电阻测温电路
技术领域
本发明涉及压缩机技术领域，具体是一种采样信号线性化的热电阻测温电路。
背景技术
热电阻测温仪表常用的测温电路为桥式测温电路和电流源式测温电路，这两种测温方法均需对采样信号进行非线性补偿，或采用分段插值法(即采用单片机技术建立采样信号与被测温度之间的关系曲线，以测得的采样信号计算出被测温度的值)。其中电流源式测温电路的非线性补偿部分通常是从运算放大器的输出端输出采样信号，电路较为复杂。
经过长期实践与探索，本申请研发了一种与以上不同的电流源式热电阻测温电路，利用非线性补偿电路从运算放大器的同相输入端输出采样信号，使电路大为简化，同时利用减法运算电路完全消除引线电阻随环境温度变化引起的测量误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用运算放大器线性工作区使采样信号线性化的热电阻测温电路，减少测量误差。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种采样信号线性化的热电阻测温电路，包括电源电路、非线性补偿电路、减法运算电路、调零电路和放大电路。
所述电源电路由电阻R4和直接输出2.5V的基准电压芯片组成。
所述非线性补偿电路由放大器IC1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻Rt组成，所述电阻R2的一端连接在所述放大器IC1的反相输入端，另一端连接在所述放大器IC1的输出端，所述R1的一端连接在所述电阻R4和基准电压芯片之间，另一端连接在所述放大器IC1的反相输入端，所述电阻R3的一端连接在所述放大器IC1的同相输入端，另一端连接在所述放大器IC1的输出端，所述电阻Rt的一端连接在所述放大器IC1的同相输入端，另一端接地。
所述减法运算电路并联在所述电阻Rt的两端；所述放大电路与所述减法运算电路连接，所述调零电路的一端连接在所述电阻R4和基准电压芯片之间，另一端与所述放大电路连接。
进一步地，所述减法运算电路由放大器IC2、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9组成，所述电阻R6和电阻R8一端分别连接在所述电阻Rt的两端，所述电阻R6的另一端连接到所述放大器IC2的反相输入端，所述电阻R8的另一端连接到所述放大器IC2的同相输入端；所述电阻R7的一端连接在所述放大器IC2的反相输入端，另一端连接在所述放大器IC2的输出端；所述电阻R9的一端连接在所述放大器IC2的同相输入端,另一端接地。
进一步地，所述放大电路由放大器IC3、电阻R10、电阻R11、电阻R12和可调电阻RW3组成，所述电阻R10的一端连接在所述放大器IC2的输出端，另一端连接在所述放大器IC3的反相输入端；所述可调电阻RW3和电阻R11串联后一端连接在所述放大器IC3的反相输入端，另一端连接在所述放大器IC3的输出端；所述电阻R12的一端连接在所述放大器IC3的同相输入端，另一端接地。
进一步地，所述调零电路由电阻R5和可调电阻RW2组成，所述电阻R5和可调电阻RW2串联，所述电阻R5的另一端连接到所述电阻R4和基准电压芯片之间，所述可调电阻RW2另一端连接到所述放大器IC3的反相输入端。
优选地，所述电阻R3与所述放大器IC1的输出端之间串联设置有可调电阻RW1。
优选地，所述电阻Rt为Pt100电阻，用于0～200℃范围内的温度测量。
优选地，所述基准电压芯片为直接输出2.5V的CLREF06基准电压芯片。
本发明的有益效果是：
1)本发明测温电路的非线性补偿部分突破了常用的从运算放大器的输出端输出采样信号的做法，改为从同相输入端输出采样信号，使电路大为简化。
2)本发明测温电路设计巧妙，利用减法运算电路与四线制热电阻相结合，完全消除了引线电阻随环境温度变化引起的测量误差，在电阻测温技术方面取得了突破性的进步。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明测温电路的非线性补偿电路的原理图。
图2是本发明测温电路的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明说明书附图，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作出创造性劳动的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。
本发明以Pt100为传感器，适用于(0～200)℃范围内的温度测量，其非线性补偿部分的原理如图1所示。
Pt100在(0～200)℃范围内的阻值为(100～175.86)Ω，由图1中各电阻阻值可判断负反馈远大于正反馈，因此该电路处于负反馈状态，运算放大器处于线性工作区。
由运算放大器在线性工作区“虚断”和“虚短”的特点可得到：
(UR-U-)/R1＝(U--U0)/R2
(0-U+)/Rt＝(U+-U0)/R3
U-＝U+
由以上3式可得到：
Figure BDA0003367700800000041
U+即为输出的采样信号。
取R1＝20kΩ，R2＝1kΩ，R3＝140Ω，UR取2.5V基准电压，在(0～200)℃范围内按式(1)计算得到的电压降与温度之间的对应关系如表1所示。
表1 Pt100电压降与温度的对应表
Figure BDA0003367700800000042
Figure BDA0003367700800000051
对比表1的第3列与第5列可以看出：Pt100每升高10℃的电阻值增幅从3.90Ω逐渐降至3.69Ω，属于明显的非线性特征，这是由Pt100自身特性所决定的；但Pt100每升高10℃的电压降增幅却是在(3.73～3.76)mV之间上下交替波动的，且波动的幅度很微弱，具有非常明显的线性化特征。
对表1第1列和第4列的数据进行一元线性回归处理，可得：
U＝0.375t+92.59 (2)
按式(2)估算(0～200)℃范围内的非线性误差(以引用误差计)，最大非线性误差不超过0.07％(见表1最后一列)。
由以上分析可见该非线性补偿电路实现了采样信号的线性化。
在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，一种采样信号线性化的热电阻测温电路，包括电源电路、非线性补偿电路、减法运算电路、调零电路和放大电路。
所述电源电路由1kΩ的电阻R4和直接输出2.5V的CLREF06基准电压芯片组成，以CLREF06芯片作为基准电压源，输出2.5V基准电压。
所述非线性补偿电路由放大器IC1、20kΩ的电阻R1、1kΩ的电阻R2、140Ω的电阻R3和Pt100电阻Rt组成，所述1kΩ的电阻R2的一端连接在所述放大器IC1反相输入端，另一端连接在所述放大器IC1的输出端，所述20kΩ的R1的一端连接在所述1kΩ的电阻R4和CLREF06芯片之间，另一端连接在所述放大器IC1的反相输入端，所述140Ω的电阻R3的一端连接在所述放大器IC1的同相输入端，另一端连接在所述放大器IC1的输出端，所述Pt100电阻Rt的一端连接在所述放大器IC1的同相输入端，另一端接地；所述电阻Rt选用四线制Pt100，其两端各有两根引线，将每端两根引线的任意一根作为采样电压线。为保证电路最大程度的线性化，本实施例中优选地，将140Ω的电阻R3改为120Ω的电阻R3加40Ω的可调电阻RW1，调节可调电阻RW1可使输出的采样信号达到最大程度的线性化。
所述减法运算电路并联在所述Pt100电阻Rt的两端，所述减法运算电路由放大器IC2、10kΩ的电阻R6、10kΩ的电阻R7、10kΩ的电阻R8和10kΩ的电阻R9组成，所述10kΩ的电阻R6和10kΩ的电阻R8的一端分别连接在所述Pt100电阻Rt的两端，所述10kΩ的电阻R6的另一端连接到所述放大器IC2的反相输入端，所述10kΩ的电阻R8的另一端连接到所述放大器IC2的同相输入端；所述10kΩ的电阻R7的一端连接在所述放大器IC2的反相输入端，另一端连接在所述放大器IC2的输出端；所述10kΩ的电阻R9的一端连接在所述放大器IC2的同相输入端,另一端接地。所述减法运算电路将Pt100电阻Rt两端的电位相减，输出信号为Pt100两端的电位差，从而完全消除引线电阻随环境温度变化引起的测量误差。
所述放大电路与所述减法运算电路连接，所述放大电路由放大器IC3、1kΩ的电阻R10、25kΩ的电阻R11、1kΩ的电阻R12和3kΩ的可调电阻RW3组成，1kΩ的所述电阻R10的一端连接在所述放大器IC2的输出端，另一端连接在所述放大器IC3的反相输入端；所述3kΩ的可调电阻RW3和25kΩ的电阻R11串联后一端连接在所述放大器IC3的反相输入端，另一端连接在所述放大器IC3的输出端；所述1kΩ的电阻R12的一端连接在所述放大器IC3的同相输入端，另一端接地。调节可调电阻RW3可使被测温度为200℃时，输出的U0为2000mv。
所述调零电路的一端连接在所述1kΩ的电阻R4和CLREF06基准电压芯片之间，另一端与所述放大电路连接。所述调零电路由26kΩ的电阻R5和2kΩ的可调电阻RW2组成，所述26kΩ的电阻R5和2kΩ的可调电阻RW2串联，所述26kΩ的电阻R5的另一端连接到所述1kΩ的电阻R4和CLREF06基准电压芯片之间，所述2kΩ的可调电阻RW2另一端连接到所述放大器IC3的反相输入端。调节可调电阻RW2可使被测温度为0℃时，输出的U0为0mv。
将U0输入3位半A/D转换器转换为数字信号，再经译码器、显示器即可输出被测温度的值。
以上所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种采样信号线性化的热电阻测温电路，其特征在于，包括电源电路、非线性补偿电路、减法运算电路、调零电路和放大电路；
所述电源电路由电阻R4和直接输出2.5V的基准电压芯片组成；
所述非线性补偿电路由放大器IC1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻Rt组成，所述电阻R2的一端连接在所述放大器IC1的反相输入端，另一端连接在所述放大器IC1的输出端，所述R1的一端连接在所述电阻R4和基准电压芯片之间，另一端连接在所述放大器IC1的反相输入端，所述电阻R3的一端连接在所述放大器IC1的同相输入端，另一端连接在所述放大器IC1的输出端，所述电阻Rt的一端连接在所述放大器IC1的同相输入端，另一端接地；
所述减法运算电路并联在所述电阻Rt的两端；所述放大电路与所述减法运算电路连接，所述调零电路的一端连接在所述电阻R4和基准电压芯片之间，另一端与所述放大电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种采样信号线性化的热电阻测温电路，其特征在于，所述减法运算电路由放大器IC2、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9组成，所述电阻R6和电阻R8一端分别连接在所述电阻Rt的两端，所述电阻R6的另一端连接到所述放大器IC2的反相输入端，所述电阻R8的另一端连接到所述放大器IC2的同相输入端；所述电阻R7的一端连接在所述放大器IC2的反相输入端，另一端连接在所述放大器IC2的输出端；所述电阻R9的一端连接在所述放大器IC2的同相输入端,另一端接地。
3.根据权利要求2所述的一种采样信号线性化的热电阻测温电路，其特征在于，所述放大电路由放大器IC3、电阻R10、电阻R11、电阻R12和可调电阻RW3组成，所述电阻R10的一端连接在所述放大器IC2的输出端，另一端连接在所述放大器IC3的反相输入端；所述可调电阻RW3和电阻R11串联后一端连接在所述放大器IC3的反相输入端，另一端连接在所述放大器IC3的输出端；所述电阻R12的一端连接在所述放大器IC3的同相输入端，另一端接地。
4.根据权利要求3所述的一种采样信号线性化的热电阻测温电路，其特征在于，所述调零电路由电阻R5和可调电阻RW2组成，所述电阻R5和可调电阻RW2串联，所述电阻R5的另一端连接到所述电阻R4和基准电压芯片之间，所述可调电阻RW2的另一端连接到所述放大器IC3的反相输入端。
5.根据权利要求1所述的一种采样信号线性化的热电阻测温电路，其特征在于，所述电阻R3与所述放大器IC1的输出端之间串联设置有可调电阻RW1。
6.根据权利要求1所述的一种采样信号线性化的热电阻测温电路，其特征在于，所述电阻Rt为Pt100电阻，用于0～200℃范围内的温度测量。
7.根据权利要求1所述的一种采样信号线性化的热电阻测温电路，其特征在于，所述基准电压芯片为直接输出2.5V的CLREF06基准电压芯片。
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