CN114879556A - 一种测量电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量电路，包括：LDO供电模块、MCU、隔离模块、ADC采集模块、测量通道选择模块、测量模式选择模块和板卡；所述板卡设有24路测量通道，且该24路测量通道包括：电压测量通道、热电偶测量通道和热电阻测量通道，且根据需求可以对电压测量通道、热电偶测量通道和热电阻测量通道任意分配，所述测量模式选择模块包括电压测量选择电路、热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路，本发明在无需外接电压测量设备的情况下，完全能够满足电压、热电偶和热电阻温度的同步测量，节约了生产成本的同时，使得用户使用更加的便捷。

Description

一种测量电路
技术领域
本发明涉及一种测量技术领域，具体为一种测量电路。
背景技术
在电子产品技术领域，经常需要对热电阻和热电偶进行温度测量，并且在测量热电阻或热电偶温度时，需要用到电压测量，根据需求市场上的电子测量产品有万用表用于测量电压，热电阻测温仪器用于测量热电阻的温度，热电偶测温仪器用于测量热电偶的温度；
目前该领域的技术存在很大的缺陷，一方面，单一的测量仪器实现测量单一的功能，既增加了测量成本，而且使用是需要频繁的更换，浪费时间；
另一方面，在测量热电阻和热电偶温度时，由于隔离措施做的不全，干扰信号对测量数据的造成干扰，导致测量数据不准确，且目前技术中测量热电阻和热电偶温度的仪器设有的8路测量通道无法满足一体化同步测量的需求，给使用者带了困扰；
现有技术已经不能满足现阶段人们的需求，基于现状，急需对现有技术进行改革。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明提供如下技术方案一种测量电路，包括：MCU、隔离模块、ADC采集模块、测量通道选择模块、测量模式选择模块、板卡和LDO供电模块。
所述板卡设有24路测量通道，且该24路测量通道包括：电压测量通道、热电偶测量通道和热电阻测量通道，且根据需求可以对电压测量通道、热电偶测量通道和热电阻测量通道任意分配；
所述测量通道选择模块包括：24路多路开关、电流源和3-8译码器，所述多路开关的控制端通过耦接电流源或3-8译码器耦接MCU，当测量电压和热电偶温度时，MCU通过选择耦接3-8译码器耦接多路开关，当测量热电阻温度时，MCU通过选择耦接电流源耦接多路开关；
所述测量模式选择模块包括电压测量选择电路、热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路，且所述电压测量选择电路、热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路的输入端均通过隔离模块耦接MCU，MCU分别通过控制电压测量选择电路、热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路选择性的测量电压、热电阻温度电压或热电偶温度电压。
所述电压测量选择电路包括固态继电器、分压电路和放大电路，所述固态继电器的具有2个输出引脚，其中一个输出引脚通过串联分压电路加载于放大电路的正向输入端，通过所述放大电路的输出端为第一ADC的输入端提供电压信号，另一个输出引脚耦接测量通道选择模块中的多路开关。
所述热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路均包括级联连接的2个固态继电器，所述热电阻测量选择电路的固态继电器也具有2个输出引脚，其中一个输出引脚耦接第一ADC，为第一ADC的输入端提供热电阻的温度电压信号，另一个输出引脚耦接测量通道选择模块中的多路开关。
所述热电偶测量选择电路的固态继电器也具有2个输出引脚，其中一个输出引脚耦接第二ADC，为第二DC的输入端提供热电耦的温度电压信号，另一个输出引脚耦接测量通道选择模块中的多路开关。
所述LDO供电模块为MCU、隔离模块、ADC采集模块、测量通道选择模块、测量模式选择模块和板卡供电；
所述隔离模块包括SPI隔离、光耦隔离和电源隔离，所述MCU通过SPI隔离与ADC采集模块耦接，SPI隔离能够确保ADC在额定的工作电压工作不受大电压的损坏；所述MCU通过光耦隔离与测量通道选择模块耦接，光耦隔离的速度快，能够快速保护测量通道选择模块不被损坏，且所述MCU通过电源隔离与LDO供电模块耦接，电源隔离采用磁隔离方式，能够稳定的隔离大电压的输入；
所述ADC采集模块包括第一ADC和第二ADC，所述第一ADC和第二ADC均具有2组差分输入端，所述第一ADC的一路输入端耦接电压测量选择电路，用于采集测量电压，所述第一ADC的另一路输入端耦接热电阻测量选择电路，用于采集测量热电阻的温度电压；所述第二ADC的其中一路输入端耦接热电阻测量选择电路，用于采集热电偶的温度电压。
有益效果
(1)本发明通过SPI隔离、光耦隔离和电源隔离对电路中的ADC、MCU和供电模块进行隔离，保护了关键的电子器件不受大电压的损坏，且隔离了外接的干扰信号，是的测量的数据更加的准确；
(2)本发明将电压测量选择电路、电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路的输出端并联连接输出给第一ADC和第二ADC，且能够任意分配24路测量通道，通过MCU控制24路多路开关实现同步对电压、热电偶和热电阻的温度进行测量，在无需外接电压测量设备的情况下，完全能够满足电压、热电偶和热电阻温度的同步测量，节约了生产成本的同时，使得用户使用更加的便捷。
附图说明
图1为本发明电路排版结构框图示意图；
图2为本发明的测量电路工作流程结构示意图；
图3为本发明电压测量选择电路的电路图；
图4为本发明热电阻测量选择电路的电路图；
图5为本发明热电偶测量选择电路的电路图；
图6为本发明第一ADC电路图；
图7为本发明第二ADC电路图；
图8为本发明多路开关的电路示意图。
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。
参考图1和图2，本发明提供如下技术方案一种测量电路，包括：LDO供电模块、MCU、隔离模块、ADC采集模块、测量通道选择模块、测量模式选择模块和板卡。
所述板卡设有24路测量通道，且该24路测量通道包括：电压测量通道、热电偶测量通道和热电阻测量通道，且根据需求可以对电压测量通道、热电偶测量通道和热电阻测量通道任意分配，例如：电压测量通道可以分配板卡中的20路测量通道，热电偶测量通道和热电阻测量通道分别分配2个测量通道；
所述测量通道选择模块包括：24路多路开关、电流源和3-8译码器，所述多路开关的控制端通过耦接电流源或3-8译码器耦接MCU，当测量电压和热电偶温度时，MCU通过选择耦接3-8译码器耦接多路开关，当测量热电阻温度时，MCU通过选择耦接电流源耦接多路开关，因为测量热电阻温度时，需要提供电流源，通过测量的电压与电流源之比能够可到热电阻的阻值；所述多路开关的每一路开关均具有2路输出控制引脚，其中一路控制引脚耦接测量模式选择模块，另一路控制引脚耦接板卡的24路测量通道。
参考图8，本实施例中，多路开关中的4号引脚和6号引脚为输出控制引脚，24路多路开关的6号引脚并联连接后耦接测量通道选择模块，24路多路开关的4号引脚分别耦接板卡中的24路测量通道，用于通过MCU控制打开或闭合该24路多路开关选择性的测量电压、热电阻和热电偶；
所述测量模式选择模块包括电压测量选择电路、热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路，且所述电压测量选择电路、热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路的输入端均通过隔离模块耦接MCU，MCU分别通过控制电压测量选择电路、热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路选择性的测量电压、热电阻温度电压或热电偶温度电压。
参考图3，所述电压测量选择电路包括固态继电器、分压电路和放大电路，所述固态继电器的具有2个输出引脚，其中一个输出引脚通过串联分压电路加载于放大电路的正向输入端，通过所述放大电路的输出端为第一ADC的输入端提供电压信号，另一个输出引脚耦接测量通道选择模块中的多路开关；所述固态继电器、分压电路和放大电路均具有2路，其中一路为第一ADC提供正电压，另一路为第一ADC提供负电压；本实施例中，U1、U2为固态继电器，4号和6号引脚为固态继电器U1、U2的输出引脚；U5A、U5B为放大电路的2个放大器；分压电阻R8、R10组成一路分压电路，分压电阻R8、R10组成另一路分压电路；固态继电器U1的4号引脚和通过串联分压电阻R9与R11组成的分压电路与放大器U5A的正向输入端耦接，固态继电器U2的4号引脚和通过串联分压电阻R8与R10组成的分压电路与放大器U5B的正向输入端耦接，U5A为第一ADC提供正向电压信号，U5B为第一ADC提供负向电压信号。
参考图4，所述热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路均包括级联连接的2个固态继电器，所述热电阻测量选择电路的固态继电器也具有2个输出引脚，其中一个输出引脚耦接第一ADC，为第一ADC的输入端提供热电阻的温度电压信号，另一个输出引脚耦接测量通道选择模块中的多路开关。
参考图5，所述热电偶测量选择电路的固态继电器也具有2个输出引脚，其中一个输出引脚耦接第二ADC，为第二DC的输入端提供热电耦的温度电压信号，另一个输出引脚耦接测量通道选择模块中的多路开关。
所述LDO供电模块为MCU、隔离模块、ADC采集模块、测量通道选择模块、测量模式选择模块和板卡供电；
所述隔离模块包括SPI隔离、光耦隔离和电源隔离，所述MCU通过SPI隔离与ADC采集模块耦接，SPI隔离能够确保ADC在额定的工作电压工作不受大电压的损坏；所述MCU通过光耦隔离与测量通道选择模块耦接，光耦隔离的速度快，能够快速保护测量通道选择模块不被损坏，且所述MCU通过电源隔离与LDO供电模块耦接，电源隔离采用磁隔离方式，能够稳定的隔离大电压的输入。
参考图6和图7，所述ADC采集模块包括第一ADC和第二ADC，所述第一ADC和第二ADC均具有2组差分输入端，由于本发明实现对电压、热电阻和热电偶进行测量，所以一个ADC的2组差分输入端只能测量电压、热电阻和热电偶的其中两项，所以需要2个ADC即4组差分输入端采集电压、热电阻和热电偶的电压信号；所述第一ADC的一路输入端耦接电压测量选择电路，用于采集测量电压，所述第一ADC的另一路输入端耦接热电阻测量选择电路，用于采集测量热电阻的温度电压；所述第二ADC的其中一路输入端耦接热电阻测量选择电路，用于采集热电偶的温度电压。
另外，在测量热电偶时，测量电路还包括冷端温度传感器，冷端温度传感器通过耦接MCU将待测端的冷端温度对应电压与第二ADC采集的电压进行计算比较，计算得到的为实际的待测端的温度电压；
本发明还提供另一实施例，阐述本发明在测量电压、热电偶温度和热电阻温度过程的工作原理：
参考图2，将板卡24路测量通道与待测端耦接，通过MCU控制电流源或3-8译码器控制多路开关，(1)当测量电压时，若只测量3路电压时，MCU通过3-8译码器控制多路开关，将多路开关中的其中3路开关打开，将其他21路的多路开关闭合，MCU再打开电压测量选择电路的固态继电器，且将热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路中的固态继电器关闭，待测端的电压通过电压测量选择电路的输出端加载到第一ADC差分输入端，第一ADC将采集的电压值传输给MCU即得到了待测端的电压测量值；
(2)当测量热电阻温度时，MCU通过选择耦接电流源耦接多路开关，因为测量热电阻温度时，需要电流源提供电流I，通过测量的电压V与电流I之比能够可到热电阻的阻值R，若只测量3路热电阻温度时，MCU将多路开关中的其中3路开关打开，将其他21路的多路开关闭合，MCU再打开热电阻测量选择电路的固态继电器，且将电压测量选择电路和热电偶测量选择电路中的固态继电器关闭，待测端的温度电压通过热电阻测量选择电路的输出端加载到第一ADC差分输入端，第一ADC将采集的所述热电阻温度电压值V传输给MCU，MCU通过电流源提供的电流I与所述温度电压值V计算得到热电阻的阻值R0，再通过电阻阻值转换为温度的函数公式计算即得到了待测端的温度测量值；其中，以铂热电阻为例，电阻阻值转换为温度的函数公式为：
①TR＝R0[1+At+2Bt+3Ct(t-100℃)]；(铂热电阻温度特性在-200～0℃)
②TR＝R0(1+At+2Bt)；(铂热电阻温度特性在0～850℃)
其中，A＝3.90802×10-3；B＝-5.802×10-7；C＝-4.27350×10-12；t为铂热电阻温度特性的度数。
(3)当测量热电偶温度时，MCU通过3-8译码器控制多路开关，若只测量3路热电偶温度时，MCU将多路开关中的其中3路开关打开，将其他21路的多路开关闭合，MCU再打开热电偶测量选择电路的固态继电器，且将电压测量选择电路和热电阻测量选择电路中的固态继电器关闭，待测端的温度电压通过热电偶测量选择电路的输出端加载到第二ADC差分输入端，第二ADC将采集的所述热电偶温度电压值V1传输给MCU，MCU通过电压值转换为温度的函数公式计算即得到了待测端的温度测量值；其中，以N型热电偶为例，电压值转换为温度的函数公式为：
Figure BDA0003629104800000071
其中，
d1＝3.8436847×10-2
d2＝1.1010485×10-6
d3＝5.2229312×10-9
d4＝7.2060525×10-12
d5＝5.8488586×10-15
d6＝2.7754916×10-18
d7＝7.7075166×10-22
d8＝1.1582665×10-25
d9＝7.3138868×10-30
其中，上述电压V等于冷端温度传感器测量的冷端温度的电压V2相加第二ADC采集到温度电压V1，其中，冷端温度电压V2需要通过下述函数公式得到；
Figure BDA0003629104800000072
其中，
a0＝2.6159105962×101
a1＝1.0957484228×10-2
a2＝-9.3841111554×10-5
a3＝-4.6412039759×10-8
a4＝-2.6303357716×10-9
a5＝-2.265343800×10-11
a6＝-7.6089300791×10-14
a7＝-9.3419667835×10-17
(4)当混合测量热电偶温度、热电阻温度和电压时，若测量8路热电偶温度、6路热电阻温度和4路电压，则一方面MCU通过3-8译码器控制多路开关，将多路开关中的其中12路开关打开，其中8路多路开关用于测量热电偶的温度，4路多路开关用于测量电压，MCU再打开热电偶测量选择电路和电压测量选择电路的固态继电器，耦接热电偶的待测端的温度电压通过热电偶测量选择电路的输出端加载到第二ADC差分输入端，且待测端的电压通过电压测量选择电路的输出端加载到第一ADC差分输入端，第一ADC将采集的电压值传输给MCU即得到了待测端的电压测量值；第二ADC将采集的所述热电偶温度电压值传输给MCU，MCU通过上述电压值转换为温度的函数公式计算即得到了待测端的温度测量值；另一方面，MCU通过选择耦接电流源耦接多路开关，将多路开关中的其中6路开关打开，MCU再打开热电阻测量选择电路的固态继电器，待测端的温度电压通过热电阻测量选择电路的输出端加载到第一ADC差分输入端，第一ADC将采集的所述热电阻温度电压值传输给MCU，MCU通过电流源提供的电流与所述温度电压值计算得到热电阻的阻值，在通过上述电阻阻值转换为温度的函数公式计算即得到了待测端的温度测量值。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量电路，其特征在于，包括：MCU、隔离模块、ADC采集模块、测量通道选择模块、测量模式选择模块、板卡和LDO供电模块；
所述板卡设有多路测量通道，且该多路测量通道包括：电压测量通道、热电偶测量通道和热电阻测量通道；
所述测量通道选择模块包括：多路开关、电流源和3-8译码器，所述多路开关的控制端通过耦接电流源或3-8译码器耦接MCU；
所述测量模式选择模块包括：电压测量选择电路、热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路，且所述电压测量选择电路、热电阻测量选择电路和热电偶测量选择电路的输入端均通过隔离模块耦接MCU；
所述隔离模块包括：SPI隔离、光耦隔离和电源隔离；
所述ADC采集模块包括：第一ADC和第二ADC，所述第一ADC和第二ADC均具有2组差分输入端，所述第一ADC的一路输入端耦接电压测量选择电路，用于采集测量电压，所述第一ADC的另一路输入端耦接热电阻测量选择电路，用于采集测量热电阻的温度电压；所述第二ADC的其中一路输入端耦接热电阻测量选择电路，用于采集热电偶的温度电压。
2.根据权利要求1所述的一种测量电路，其特征在于：所述电压测量通道、热电偶测量通道和热电阻测量通道能够任意分配多路测量通道的数量。
3.根据权利要求1所述的一种测量电路，其特征在于：所述MCU通过选择耦接3-8译码器耦接多路开关，测量电压和热电偶温度电压；
所述MCU通过选择耦接电流源耦接多路开关，测量热电阻温度电压；
所述多路开关的每一路开关均具有2路输出控制引脚，其中一路控制引脚耦接测量模式选择模块，另一路控制引脚耦接板卡的24路测量通道。
4.根据权利要求1所述的一种测量电路，其特征在于：所述电压测量选择电路包括：固态继电器、分压电路和放大电路；
所述固态继电器的具有2个输出引脚，其中一个输出引脚通过串联分压电路加载于放大电路的正向输入端，通过所述放大电路的输出端为第一ADC的输入端提供电压信号，另一个输出引脚耦接测量通道选择模块中的多路开关；
所述固态继电器、分压电路和放大电路均具有2路输出，其中一路为第一ADC提供正电压，另一路为第一ADC提供负电压。
5.根据权利要求1所述的一种测量电路，其特征在于：所述热电阻测量选择电路具有级联连接的2个固态继电器，且所述固态继电器也具有2个输出引脚，其中一个输出引脚耦接第一ADC，为第一ADC的输入端提供热电阻的温度电压信号，另一个输出引脚耦接测量通道选择模块中的多路开关。
6.根据权利要求1所述的一种测量电路，其特征在于：所述热电偶测量选择电路的固态继电器具有2个输出引脚，其中一个输出引脚耦接第二ADC，为第二DC的输入端提供热电耦的温度电压信号，另一个输出引脚耦接测量通道选择模块中的多路开关。
7.根据权利要求1所述的一种测量电路，其特征在于：所述LDO供电模块为MCU、隔离模块、ADC采集模块、测量通道选择模块、测量模式选择模块和板卡供电。
8.根据权利要求1所述的一种测量电路，其特征在于：所述MCU通过SPI隔离与ADC采集模块耦接，SPI隔离用于确保ADC在额定的工作电压工作不受大电压的损坏；
所述MCU通过光耦隔离与测量通道选择模块耦接，光耦隔离的速度快，用于快速保护测量通道选择模块不被损坏；
且所述MCU通过电源隔离与LDO供电模块耦接，电源隔离采用磁隔离方式，用于稳定的隔离大电压的输入。
9.根据权利要求1所述的一种测量电路，其特征在于：在测量热电偶温度时，所述测量电路还包括冷端温度传感器，该冷端温度传感器通过耦接MCU将待测端的冷端温度电压与第二ADC采集的电压通过计算比较，计算得到的为实际的待测端的温度电压。
10.根据权利要求3所述的一种测量电路，其特征在于：在测量热电阻温度时，所述MCU通过电流源提供的电流与所述测量的热电阻温度电压计算得到热电阻的阻值R0，再通过转换为温度的函数公式计算即得到待测端的温度测量值；其中，
当热电阻温度特性在-200～0℃时，函数公式为：TR＝R0[1+At+2Bt+3Ct(t-100)]；
当热电阻温度特性在0～850℃时，函数公式为：TR＝R0(1+At+2Bt)；
其中，A＝3.90802×10-3；B＝-5.802×10-7；C＝-4.27350×10-12；t为铂热电阻温度特性的度数。
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