CN1548934A - 温度传感器其温度检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于电加热装置温度检测的温度传感器及应用这种温度传感器的温度检测电路及检测方法。温度传感器是将电加热装置的电热元件即作为电加热元件，又作为热电阻温度传感器来获得。温度的检测电路包括电加热装置的电热元件(1)，电流传感器(2)，分压电阻(3)和分压电阻(4)，信号输出端(5)和(6)，电源切换开关(7)，加热电源(8)，辅助检测电源(9)，差动信号变换器(11)组成。结合该温度检测电路还有相应的温度检测方法。采用本发明能不改装电加热装置，不增加温度传感器的情况下，实现对电加热装置的温度的检测。

Description

温度传感器其温度检测电路及方法

所属技术领域

本发明涉及温度检测领域，是一种应用于电加热装置温度检测的温度传感器及应用这种温度传感器的温度检测电路及检测方法，特别是应用于采用普通电阻丝制成的电热元件的电加热装置的温度传感器及其温度检测电路和方法。

背景技术

由于普通电阻丝的物理化学性能稳定、工作温度范围宽、成本低、能方便的制成各种形状的电热元件等优点而被各行各业广泛使用。例如：电炉和电吹风的电炉丝、电热水器发热管、电烙铁的烙铁芯等。但普通电阻丝的电阻温度系数极低，如：镍铬合金(60％Ni、15％Cr、25％Fe)的一次项电阻温度系数约为1.6×10^-4 1/℃；铁铬铝合金(60％Fe、30％Cr、5％AL)的一次项电阻温度系数约为4×10^-5 1/℃，它们都接近一些标准电阻的电阻温度系数，尤其是铁铬铝合金。而常作为热电阻温度传感器材料的铜和铂的一次项电阻温度系数都约为4×10^-3 1/℃。所以由普通电阻丝制成的电热元件的电阻值对温度的变化不敏感。同时在加热过程中电热元件内部与电热元件表面、电热元件表面与被加热介质相互间存在一定的温差，特别是带有保护层的电热元件，这些温差更大，而且绝大部分电热元件都带有保护层。如电热水器的发热管、电饭锅的发热盘、电烙铁的发热芯等。因此，在对采用这种电热元件的电加热装置的温度检测中，普遍采用的公知技术是在电加热装置中合适的位置，再另外加装一个温度传感器来检测电加热装置的温度，而不将电加热装置中的由普通低电阻温度系数的电阻丝制成的电热元件即作为电加热元件，又作为热电阻温度传感器使用。也就没有相应的用于将普通电阻丝制成的电热元件作为温度传感器的温度检测电路及检测方法。采用加装一个温度传感器的方式，尽管可以保证电加热装置温度的检测精度，能较快反映电加热装置中被加热介质的温度值，但也有存在以下缺点和不足：

1、需另外增加一个温度传感器，这将增加成本，对一些廉价的电加热装置来说无法接受；同时传感器的安装也带来麻烦，尤其是那些已投入使用的装置更是如此。

2、由于安装的限制，温度传感器只能反映加热过程中被加热介质和电热元件表面的温度值，不能实时的检测电热元件内部的温度值，因此不能反映电热元件内部在异常情况下的温度变化。如加热电源电压突然升高，电热元件内部短路等。

发明内容

本发明的目的是提供与现有技术相比，电热装置不另外增设温度传感器的情况下，检测电热装置温度的温度传感器及其相应的温度检测电路和检测被加热介质温度的方法。

为实现本发明的目的，本发明是将电加热装置中由一次项电阻温度系数A在10^-4 1/℃  数量级或低于10^-4 1/℃数量级的普通电阻丝制成的电热元件即作为电加热元件，又作为热电阻温度传感器使用。在这里电热元件除具有原来的电加热功能外，还增加一个检测自身温度的热电阻温度传感器的功能。能作为热电阻温度传感器使用的电热元件必须是其电阻值主要随其自身温度的变化而变化，其它因素引起的电阻值的变化量可以测算或不能影响电热元件温度的检测精度。电热元件的电阻丝可以裸露，让电阻丝直接与被加热介质接触。电热元件的电阻丝也可以在其上复盖相应的保护层，让电阻丝不直接与被加热介质接触。电热元件的电阻值或温度值可以由电阻温度公式R_t＝R₀(1+At+Bt²+Ct³)近似求出。

设置一个由电热元件电流的测量回路和一个检测电源电压的测量回路共同组成的电热元件电阻值检测电路。当电热元件的两端通过两个电热元件接线端接入该电路后，通过检测电热元件电阻值的大小，来确定电热元件的温度值。其中电热元件通过接线端接入该电路后，与电流传感器原边的一端串联组成电热元件电流的测量回路，用于电热元件电流的测量。通过欧姆公式R＝U/I就可以求出电热元件的电阻值，再通过电阻温度公式R_t＝R₀(1+At+Bt²+Ct³)换算为电热元件的温度值。因此电热元件电阻值检测电路也就是电热元件温度值检测电路。由两只分压电阻串联组成电源电压的测量回路，用于电源电压的测量。将电热元件电流的测量回路与检测电源电压的测量回路并联后，再并接到检测电源上，由此组成电热元件电阻值检测电路或电热元件温度值检测电路。为减小电热元件电阻值的检测误差，特别是加热电源或辅助检测电源的电压的变化造成的误差，将电热元件电流的测量回路与检测电源电压的测量回路联合设置为具有差动输出特性的桥式电热元件电阻值检测电路。此时电流传感器的信号输出端与分压信号输出端之间具有电热元件电阻值或温度值的差动输出特性。

电热元件电阻值检测电路的检测电源由加热电源和辅助检测电源两个电源组成，并用电源切换开关根据检测的需要进行二选一的切换。加热电源除用于电加热装置的加热外，还用于检测加热过程中电加热装置中电热元件的温度值。辅助检测电源用于电加热装置在停止加热后电热元件温度值的检测，并应用本发明的温度检测方法检测被加热介质的温度值。辅助检测电源的电压应远小于加热电源的电压，使电热元件加载辅助检测电源后其温升可以忽约，一般选择不超过加热电源电压十分之一的电压作为载辅助检测电源电压。为了减少电源的种类，可以在加热电源与电源切换开关的输出端之间跨接一个电阻值大于电热元件电阻值10倍以上的电阻来作为辅助检测电源。

为了适应不同种类的电加热装置和电源形式，电热元件电阻值检测电路应根据不同的需要采用相应的电流传感器。功率不大的电加热装置，可以采用一只电阻值不超过电热元件电阻值百分之一的电阻作为电流传感器以节约成本。该电阻能够长期承受电加热装置的加热电流，而且长期加载加热电流后其自身的温升造成电阻值的变化很小，可以忽约。交流供电的大功率电加热装置，可以采用廉价的电流互感器作为电流传感器。直流供电的大功率电加热装置可以采用霍尔电流传感器。

为便于与后面的仪表或控制电路接口，还设有双端差动信号变单端共地信号的信号变换器。该信号变换器用具有差动信号放大功能的差动运算放大器组成。交流供电的电加热装置，也可采用普通变压器作为双端差动信号变单端共地信号的信号变换器。

采用电热元件温度值检测电路检测到的电热元件温度值都只是电热元件自身的温度值，检测被加热介质的温度还需采用以下方法：

断开加热电源停止对电加热装置中的被加热介质的加热；

让电加热装置中的电热元件和电加热装置中被加热介质的温度相对稳定一段适当的时间；

用辅助检测电源检测电热元件的当前温度值，并将电热元件的这一当前温度值同时作为电加热装置中被加热介质当前的温度值。

本发明将产生以下有益效果：不需要在电加热装置中另外增设温度传感器，也不需要对电加热装置作大的改造，只需将广泛使用的电热元件通过两个电加热元件接线端引入到电加热元件温度值检测电路，就能检测电热装置中电热元件和被加热介质的温度。这样不仅能节约温度传感器的成本，也将避免另外安装温度传感器的麻烦。对于没有安装温度传感器的电加热装置，采用本发明可以十分方便实现温度检测。同时，由于电热元件温度值检测电路随时反映的是电热元件的温度值，能快速跟踪电热元件的工作状况，这对电热元件的保护十分有利，如电源电压的异常升高。

附图说明。

图1是电热元件温度值检测电路框图

图2是电阻(13)代替辅助检测电源(9)的电热元件温度值检测电路图

图3是用电阻作为电流传感器(2)的电热元件温度值检测电路图

图4是用电流互感器作为电流传感器(2)的电热元件温度值检测电路图

图5是用运算放大器作为信号变换器(11)的电热元件电阻值检测电路图

图6是用变压器作为差动信号变换器(11)的电热元件电阻值检测电路图

具体实施方式

参照图1电热元件电阻值检测电路，由电加热元件接线端(14)和(15)、电热元件(1)、电流传感器(2)、分压电阻(3)和分压电阻(4)、信号输出端(5)和(6)、电源切换开关(7)、加热电源(8)、辅助检测电源(9)、电源公共端(10)组成；将电加热装置的电热元件即作为电加热元件又作为热电阻温度传感器，并通过电加热元件接线端(14)和(15)引入电热元件温度值检测电路，实现对电热元件温度值的测量。电热元件与电加热元件接线端的连接可以采用焊接、压接、插接等方式，但其接触电阻必须很小而且稳定。其中电热元件接线端(15)与电源切换开关(7)的输出端相连接，电热元件接线端(14)与电流传感器(2)原边的一端连接，电流传感器(2)原边的另一端接电源公共端(10)，其电流传感器信号输出端为(6)，由此组成电流测量回路；分压电阻(3)一端与电源切换开关(7)的输出端相连接，另一端接分压电阻(4)，分压电阻(4)的另一端接电源公共端(10)，分压电阻(4)的电阻值应远小于分压电阻(3)的电阻值，其工作电压与电流传感器(2)的工作压应相近，分压电阻(3)和分压电阻(4)的连接点为电源分压器电压输出端(5)，由此组成电压测量回路。根据电流传感器信号输出端为(6)输出的电流信号，通过欧姆公式R_t＝U/I先求出电热元件当前电阻值R_t，再由电阻温度公式R_t＝R₀(1+At+Bt²+Ct³)换算为电热元件当前温度值t。电阻温度公式R_t＝R₀(1+At+Bt²+Ct³)在这里用到三次项电阻温度系数，是因为电热元件不是专门设计的热电阻温度传感器，工作温度也不尽相同，各种电热元件所用的电阻丝的材料也有很大的差别。一次项电阻温度系数A、二次项电阻温度系数B、三次项电阻温度系数C可在3个已知温度t下分别测量出电热元件的电阻值R_t，将3个已知温度t、3个电阻值R_t分别代入R_t＝R₀(1+At+Bt²+Ct³)就可以求出。当精度要求不高或工作温在100度以内时可以只用到一次项电阻温度系数，也就是电阻温度公式简化为R_t＝R₀(1+At)。由于电热元件是一次项电阻温度系数A在10^-4 1/℃数量级或低于10^-4 1/℃数量级的电阻丝制成的，电热元件每1℃的温度变化所引起的电热元件电阻值变化只有10^-4数量级或低于10^-4数量级，因此电热元件电阻值检测电路(或电热元件温度值检测电路)至少应达到10^-4数量级的分辨率，才能分辨电热元件每1℃的温度变化。为了提高电热元件电阻值检测电路的抗干扰能力，特别是加热电源或辅助检测电源电压的变化造成的干扰，将电热元件电流的测量回路和电源电压的测量回路联合设置为桥式电路，使电流传感器信号输出端(6)和分压器电压输出端(5)的输出电压接近，此时电流传感器信号输出端为(6)和分压器电压输出端(5)之间的变化信号只反影电热元件电阻值(或电热元件温度值)变化部分的差动信号。

桥式电热元件温度值检测电路可以采用平衡式电桥或不平衡式电桥。采用不平衡式电桥时，必须先将电热元件置于一个已知的初始温度下使电流传感器信号输出端(6)的电压和电压分压器输出端(5)的电压相等，使电桥平衡。当电加热装置投入使用后，其电热元件将随其温度的变化而改变电阻值，这时电流传感器信号输出端(6)与电压分压器输出端(5)之间将有差动电压输出信号，该差动电压反映电热元件电阻值相对于初始温度时的变化值，根据该信号通过桥式电路公式计算出电热元件电阻值R_t，再由电阻温度公式R_t＝R₀(1+At+Bt²+Ct³)换算成电热元件(1)的温度值。采用平衡式电桥时须将分压电阻(3)或分压电阻(4)设为可变电阻，并设置相应的电阻值或温度值刻度(也可以将电流传感器信号输出端(6)的输出电压设为可调，并在调节装置上设置相应的刻度)，当电加热装置投入使用后，调节相应可变电阻使电流传感器信号输出端(6)与电源电压分压器输出端(5)之间电压为零时，通过其上的刻度读出电热元件(1)的电阻值或温度值。

电热元件电阻值检测电路的加热电源(8)、辅助检测电源(9)分别与电源切换开关(7)的两个输入端连接。加热电源除用于电加热装置的加热外，还用于检测加热过程中电加热装置中电热元件的温度值。辅助检测电源用于电加热装置在停止加热后电热元件温度值的检测，并应用本发明的温度检测方法检测被加热介质的温度值。辅助检测电源的电压应远小于加热电源的电压，使电热元件加载辅助检测电源后其温升可以忽约，一般选择不超过加热电源电压十分之一的电压作为载辅助检测电源电压。为了减少电源的种类，可以在加热电源与电源切换开关的输出端之间跨接一个电阻值大于电热元件电阻值10倍以上的电阻(13)(交流供电可用相同容抗的电容器)来作为辅助检测电源，如附图2所示。

为了适应不同种类的电加热装置和电源形式，电热元件电阻值检测电路应根据不同的需要采用相应的电流传感器。功率不大的电加热装置，可以采用不超过电热元件电阻值百分之一的电阻来作为电流传感器(2)以节约成本，如附图3所示。交流供电的大功率电加热装置，可以采用常用而廉价的电流互感器作为电流传感器(2)，如附图4所示。不管采用那种电流传感器其自身的电压降都必须远小于电热元件的电压降。

为了便于与一些测量仪表和控制装置接口，电热元件电阻值检测电路设有双端差动信号变单端共地信号的信号变换器(11)，其信号输出端为(12)。常用差动运算放大器作为信号变换器。运算放大器作为信号变换器除具有差动变换功能外，还具有差动信号放大功能，如附图5所示。交流供电的电加热装置，还可以采用普通变压器作为双端差动信号变单端共地信号的信号变换器，如附图6所示。

采用上述实施例能随时检测电热元件的温度值，为了检测被加热介质的温度值，结合电热元件温度值检测电路，本发明采用以下方法：

将电源切换开关(7)从加热电源(8)切换到辅助检测电源(9)，或采用其他方式切断加热电源，停止对电加热装置加热；让电加热装置的电热元件(1)和电加热装置中被加热介质的温度相对稳定一段合适的时间；当电加热装置的电热元件的温度与被加热介质的温度趋于一致时，用辅助检测电源检测电热元件的当前温度值；将电热元件的这一当前温度值同时作为电加热装置中被加热介质当前温度的近似值。

电加热装置的这段稳定时间，可以根据电热元件、被加热介质自身的导热性能，电热元件与被加热介质的热耦合性能，以及电加热装置的工作温度等因素确定，在实际操作中可以通过统计数据或用经验确定。如电热水器的电热元件因浸在水里与水的热耦合很好，这段稳定时间可以设为20秒以下。

Claims (9)

1. 温度传感器其温度检测电路及方法

   1、一种温度传感器，由电加热装置的用于对电加热装置中被加热介质进行电加热的普通电热元件组成，其特征在于，将电加热装置的电热元件除作为电加热元件使用外，又将该电热元件作为检测自身温度的热电阻温度传感器，利用电加热装置的电热元件的电阻值随其温度变化而变化的原理，通过检测电加热装置的电热元件的电阻值的大小，来确定电加热装置的电热元件的温度值。
2. 2、根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述的电热元件，由一次项电阻温度系数A在10^-4 1/℃数量级或低于10^-4 1/℃数量级的电阻丝制成的，其电阻丝可以是直接裸露或在其上复盖相应的保护层，电阻丝的电阻值或温度值可近似由电阻温度公式R_t＝R₀(1+At+Bt²+Ct³)求出。
3. 3、一种用于权利要求1所述温度传感器的温度检测电路，包括电热元件(1)，检测电源，电热元件接线端(14)和(15)，电流传感器(2)，电流传感器信号输出端(6)，分压电阻(3)和分压电阻(4)，分压电压信号输出端(5)，电源切换开关(7)，信号变换器(11)，其特征在于，由一个电热元件电流的测量回路和一个电源电压的测量回路共同组成一个电热元件温度值检测电路，其中接线端(15)与电源切换开关(7)的输出端相连接，接线端(14)与电流传感器(2)原边的一端相连接，电流传感器(2)原边的另一端接电源公共端(10)，其电流传感器信号输出端为(6)，作为温度传感器的电热元件(1)的两端分别与电热元件接线端(14)和(15)相连接，由此组成电热元件电流的测量回路；分压电阻(3)一端与电源切换开关(7)的输出端相连接，另一端接分压电阻(4)，分压电阻(4)的另一端接电源公共端(10)，分压电阻(3)和分压电阻(4)的连接点为分压电压输出端(5)，由此组成电压测量回路。
4. 4、根据权利要求3所述的温度检测电路，其中所述电热元件电阻值检测电路是将从电热元件接线端(14)和(15)接入电热元件温度值检测电路的电热元件(1)，电流传感器(2)，分压电阻(3)，分压电阻(4)组成具有差动输出特性的桥式电热元件温度值检测电路；桥式电热元件温度值检测电路可以采用平衡式电桥或不平衡式电桥。
5. 5、根据权利要求3所述的温度检测电路，其中所述检测电源包括一个用于停止加热后对电热元件温度检测的辅助检测电源(9)，该辅助检测电源的电压不超过加热电源电压的十分之一。
6. 6、根据权利要求3或5所述的温度检测电路，其中所述的辅助检测电源(9)可以用在加热电源(8)与电源切换开关(7)的输出端之间跨接一个电阻值大于电热元件(1)的电阻值10倍以上的电阻(13)来产生。
7. 7、根据权利要求3所述的温度检测电路，其中所述的电流传感器(2)可以采用电阻或电流互感器，采用电阻作为电流传感器(2)时其电阻值不大于电热元件电阻值的百分之一。
8. 8、根据权利要求3所述的温度检测电路，其中所述差动信号变换器(11)是由差动运算放大器或由变压器组成的差动信号变换器构成。
9. 9、一种用于权利要求1所述温度传感器及权利要求3所述的温度检测电路的温度检测方法，该检测方法是通过检测电加热装置的电热元件的温度值来确定电加热装置中被加热介质的温度值的方法，该检测方法包括以下步骤：

   断开加热电源(8)，停止对电加热装置中的被加热介质的加热；

   让电加热装置中的电热元件(1)和电加热装置中被加热介质的温度相对稳定一段适当的时间；

   用辅助检测电源(9)检测电热元件的当前温度值，并将电热元件的这一当前温度值同时作为电加热装置中被加热介质当前的温度值。

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