CN1241716A - 温度测量传感器链 - Google Patents

Abstract

本发明属于测温领域中的一种温度测量装置,它由n个(n≥1)电阻型温度传感器与按特殊的方法连接的n+2芯电缆组成传感器链,并与由多路模拟开关、自平衡电桥、差动放大器组成的信号检测电路相连,可从电桥中选通并检测出任意号温度传感器相对应的温度信号。作为一种实例,将这种模拟信号经过A/D转换器,经单片机提供多路模拟开关的编号及计算出相应的温度值后,可将温度数据送LED数据管显示,也可通过RS232接口传送给主机PC计算机进行存盘和显示。

Description

温度测量传感器链

本发明属于测温领域中的一种温度测量装置。

在工业、农业、科学研究等领域都需要用电阻型温度传感器链来进行测温。据国家专利局公布的实用新型专利CN.93215775.0介绍，海水温度测量传感器链中每个热敏电阻型温度传感器各自带一根50m长的屏蔽电缆，32个温度传感器共有32根电缆，汇合在一起数量相当可观。而且每个传感器单独有一个恒流源供电，把热敏电阻反映得到的温度信号转变为电压信号传送。从这一专利技术的介绍来看，有二个问题没有很好地解决：(1)传感器链中每个温度传感器单独带一根屏蔽电缆，且每根电缆的信号线在3芯以上。这样在使用传感器数量较多的条件下，电缆显得太多，成本增加，使用也不方便；(2)每个热敏电阻型温度传感器单独配一路恒流源电路供电，这种方法既结构复杂，又把传输线电阻的影响引入到温度信号中。这样的设计思想是无法由电子线路自动消除传输线电阻引入的测温误差。如果通过硬件或者软件校准每一个传感器的测温精度，以后就不能再任意伸长或缩短电缆的长度，否则会使测温误差增大。

本发明的目的在于提出一种由多个电阻型温度传感器、一根带总屏蔽的多芯电缆、多路模拟开关、自平衡电桥、差动放大器组成的温度测量传感器链。这种传感器链不需要在温度探头内部附加任何电子变换电路，温度信号传送不受传输线电阻的影响。如果传感器链中有n(n≥1)个温度传感器，则仅需要一根n+2芯的带总屏蔽的电缆。从而解决了现有技术中所存在的问题。

本发明所采用的技术方案在于它包括由多路模拟开关、自平衡电桥、差动放大器、n个电阻型温度传感器以及一根带总屏蔽的n+2芯电缆所组成，其中n个传感器和一根n+2芯的电缆构成传感器链的前端部分，其输出端与多路模拟开关、自平衡电桥和差动放大器按下列方式进行连接，n条在任意位置上接有温度传感器的芯线的输出端与多路模拟开关的输入端相连，模拟开关的公共输出端与自平衡电桥的一臂相连；这n条芯线的另一端同接一点作为公共点，从这公共点还引出一芯平衡线和一芯接地线，平衡线与自平衡电桥的另一臂相连，地线与差动放大器的电路地相连，而差动放大器可以从电桥中检测出与选通传感器相对应的温度信号输出。

本发明的优点在于它的传感器链中除温度传感器、电缆以外，不带其它任何电子元器件。电子线路在仪器箱中属于传感器链中每个传感器公用的。一台调试好的这种温度测量传感器链仪器，在不改变仪器中软件和硬件的条件下，传感器链的电缆长度可以在几公里范围内变化而不会影响原来校准好的测温精度。这样的传感器链结构简单，稳定可靠，便于使用和维修。

图1为本发明的系统方框图；

图2为本发明中传感器链与信号检测电路的电原理图；

图3为传感器链中某一号传感器接入自平衡电桥的等效电路。

现在结合上述各附图进一步说明本发明的工作原理和一个成功的已实际实验的例子。

本发明由以下二大部分组成：

1.传感器链1，它共有n个(n≥1)电阻型传感器和一根n+2芯电缆连接而成。

2.温度信号检测电路，它由多路模拟开关2、自平衡电桥3、差动放大器4组成。

图2是温度传感器链与信号检测电路原理图。虚线下方是传感器链的结构原理图，n个电阻型温度传感器分别串接在规格相同，但位置不同的n芯信号线中，n根信号线末端共接一点D，从D点还引出两根线分别为L_g和L_g，L_g是连接电桥另一臂的平衡导线，L_g是连接到模拟地AG的接地线，D点电位是随着l_g的导线电阻而变化的。模拟开关K₁…K_n由单片机送出的传感器编号码来决定哪一个闭合。由于模拟开关有50Ω左右的导通电阻，为了使电桥二臂平衡，所以在电桥另一臂上同样串接一个同型号的模拟开关K_p，并处于常导通状态。

传感器链中某号传感器接入自平衡电桥时的等效电路如图3虚线框内所示，R₁为电缆中每根信号线的导线电阻，由于L_p是和信号线相同长度、相同规格的导线，所以导线电阻同样为L_L，R_g是接地线L_g的电阻，R_t为电阻型温度传感器。

晶体管VT₁和附属元件R₁、R₂、Z₁构成恒流源电路，给下面的电桥提供恒定电流I_s，流过电桥每臂的电流为

。电桥中R₃＝R₄，运算放大器A₁及附属元件电容C₁、C₂、二极管D₁构成差动式积分器，积分器的输出控制场效应晶体管VT₂的导通程度，直到电桥的A点和B点电压近似相等为止。由于电桥AD和BD两臂上都有相同的电阻R_on和R_l，所以VT₂的导通压降正好等于R_t两端的电压。这样就把远离电桥的电阻型温度传感器反映到的温度信号从VT₂两端的压降上体现出来。如图2所示，用运算放大器A₂、A₃构成射极跟随器，运算放大器A₄及电阻R₅-R₈构成差动放大器，这样从运算放大器A₄输出的电压V_t便是R_t两端电压放大K倍后的电压，它满足以下等式

                   V_t＝KI₀R_t    (1)公式(1)中的R_t可以是热敏电阻，铂电阻等一类电阻型传感器，现在假设选用热敏电阻作温度传感器，则热敏电阻R_t可近似用以下式子表示

                   R_t＝R₀e^B/T    (2)式中R₀、B为常数，T为绝对温度，用(2)代入(1)则有

                   V_t＝KI₀R₀e^B/T两边取自然对数后加以整理，并从绝对温标转化为摄氏温标，则有 $T=\frac{B}{A+\mathrm{LN}\left(V_t\right)}-273----\left(3\right)$

                   A＝-LN(KI₀R₀)    (4)按当前通常的数字化测量方法，可将V_t送给A/D变换器，A/D转换结果由单片计算机读入后根据公式(3)计算成温度值T，然后一方面送LED显示，另一方面通过RS232接口送给PC机记录在硬盘上，显示在监视器上。采样那一号传感器的信号，它由单片机发出传感器编号码选通相应的模拟开关来实现。

很明显，上述原理不仅限于电阻型温度传感器，对于任何其它物理量的电阻型传感器也同样适用。

作为本发明的一个实施的例子，下面详细叙述利用本发明研制海洋温度测量传感器链的制作过程和测试结果。

根据上述发明的设计原理，用20个热敏电阻作为温度传感器，传送信号的电缆是一根总长为60米，带总屏蔽的22芯电缆。自平衡电桥中恒流I_s＝0.1mA差动放大器的放大倍数K＝9。热敏电阻生产厂一般提供T＝25℃时的电阻R_t和B值。本实例中用的20个热敏电阻的R_t＝5.1KΩ±10％，B＝3600K±10％。利用这两个给出的已知参数，根据公式(2)可以求出R₀，由此可以求得公式(3)中常数A＝LN(9×0.1×10^-4×R₀)。差动放大器从自平衡电桥中检测出温度信号V_t，经过A/D后量化为数字信号，由单片机读入后按照公式(3)计算出相应的温度值。

从公式(3)可以看出，对应于每个热敏电阻型温度传感器都有一组常数A和B，20个热敏电阻共有20组这样的常数。这20组常数存放在单片机的EPROM中，单片机根据选通模拟开关的传感器编号码，查找相应的常数计算出温度值。

海洋温度测量传感器链研制成功后，在国家海洋计量站上海分站进行了测量正确度检定，在测量范围0-40℃(因为海水温度仅在这范围内)，测温误差≤0.05℃。

Claims (2)

1.一种温度测量传感器链，其特征在于它由多路模拟开关、自平衡电桥、差动放大器、n个电阻型温度传感器以及一根带总屏蔽的n+2芯电缆所组成，其中n个传感器和一根n+2芯的电缆构成传感器链的前端部分，其输出端与多路模拟开关、自平衡电桥玫差动放大器按下列方式进行连接，n条在任意位置上接有温度传感器的芯线的输出端与多路模拟开关的输入端相连，模拟开关的公共输出端与自平衡电桥的一臂相连；这n条芯线的另一端同接一点作为公共点，从这公共点还引出一芯平衡线和一芯接地线，平衡线与自平衡电桥的另一臂相连，地线与差动放大器的电路地相连，而差动放大器可以从电桥中检测出与选通传感器相对应的温度信号输出。

2.按照权利要求书1所说的温度测量传感器链，其特征在于所说的传感器是电阻型传感器。

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