CN215726426U - 一种热电阻和热电偶通用性测温电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的是一种热电阻和热电偶通用性测温电路，包括集成模数转换器，集成模数转换器内包括电性连接的恒流源输出模块和内部集成放大器，集成模数转换器连接有外围电路，外围电路包括接口ESD保护电路、热电阻和热电偶接口、处理器，热电阻和热电偶接口能够电性连接热电阻或热电偶，热电阻和热电偶接口与接口ESD保护电路电性连接，集成模数转换器与接口ESD保护电路电性连接以使实现恒流源输出模块向接口ESD保护电路输入双路恒流源，以及接口ESD保护电路向集成模数转换器输入电压，处理器与集成模数转换器电性连接，本实用新型提供具有可以不使用恒流源芯片，简化电路结构，温度非线性补偿，误差小，通用性强等技术特点。

Description

一种热电阻和热电偶通用性测温电路

技术领域

本实用新型涉及一种通用性测温电路，更具体一点说，涉及一种热电阻和热电偶通用性测温电路，属于热电阻、热电偶测温电路和温度非线性补偿领域。

背景技术

随着工业生产的发展，温度测量与控制十分重要，温度参数的准确测量对输出品质、生产效率和安全可靠的运行至关重要。目前主要的工业测温以热电阻、热电偶测温为主。如图1所示为三线制热电阻测温原理和热电偶的测温原理。

铂电阻、铜电阻等为主的热电阻在一定的温度范围内，电阻值可以随温度线性的变化。热电阻广泛应用于温度变化范围不是很大的测温领域。通常由某种纯金属制作，测量精度高，性能稳定。热电阻测温接线方式分为二线制测温、三线制测温、四线制测温。二线制测温，连接方式简单，精度较低，三线制测温，工业中最为常见，可较好的消除引线电阻的影响，四线制测温，可完全消除引线误差，适用于高精度的温度检测，最为常见的三线制热电阻测温是由信号板提供两个恒流源，恒定的电流流过随温度变化的电阻，产生变化的电压值。

在温度测量中，热电偶的应用也极为广泛，它测量范围大，热电偶从-40～+1600℃均可连续测温。由于热电偶是一种无源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便。热电偶测温范围宽，测量精度高，与被测对象直接接触，热响应时间快，不受中间介质的影响；虽然热电阻和热电偶都是比较主流的测温方案，但是，大多数测温方案采用单一的测量手段，要么只用热电偶，要么只用热电阻，这样带来的不利影响就是单纯采用热电阻的测温仪器不能测量高温，单纯采用热电偶的测温仪器，测量精度不高，在一些高精度测量行业，并不适用。在实际使用中，热电阻测温和热电偶测温需要两个不同的接口，这样就会造成温度测量的十分不方便，应用兼容性不好。此外，无论热电阻测温，还是热电偶测温都需要放大器，并且热电阻测温时还需要恒流源。这样测温电路使用芯片繁多，增加成本，热电阻和热电偶输出的信号幅值较小与模数转换器输入范围匹配性不好。由图1也可看出，热电偶与热电阻的测温电路构成基本一致，如果热电阻和热电偶接口处能通用，那么这样既可以节约成本，又可以使测温更方便。

热电阻、热电偶在一定温度范围内可随温度线性变化，但是在整个测温范围内往往是非线性的，测温非线性就会造成处理器通过热电阻阻值或者热电偶热电势值计算温度时出现误差。在工业生产中，温度误差会造成很大的安全隐患，现需要一种温度非线性补偿方法，使测量到的温度精确。

如图1、3所示，现在为了实现三线制热电阻测温，需要单独使用恒流源芯片提供恒流源，并且恒流源芯片需要提供两个相同的电流给热电阻，实现三线制输入连接。热电阻产生的电压信号为mV级，需要仪表放大器进行信号放大，放大后的信号输入到模数转换器。热电阻类型繁多，需根据电路中模数转换器的输入范围，不断地调整仪表放大器的增益或者恒流源输出电流的大小。此时，为了更好的匹配模数转换器的输入范围，就需要电流大小可调的恒流源或者增益可调的仪表放大器。这样就需要芯片多，控制方式多，外围电路复杂，不利于小面积PCB集成。但是现有恒流源芯片电流输出可开关的并不多，增益可调的仪表放大器的增益调整也很有限，再者热电偶的热电势更小，需要放大倍数更大。因此，三线制测温接口只适合热电阻类型传感器进行测温，热电偶类型的传感器无法直接接入，通用性差。

如图2、4所示，实现了热电偶测温电路。热电偶输出电压都是mV等级，信号十分微小，需要高精度运放进行高倍率放大。不同类型的热电偶需要放大的倍数也不相同，实际使用时，可使用可编程增益放大器进行放大。但是可编程放大器的增益一般比较固定或可选择性不多，为了满足模数转换器的输入范围，放大器可选择性十分有限。热电偶测温时不需要恒流驱动，而热电阻测温时需要，所以热电阻类型的传感器也不能接入热电偶测温电路，通用性差。

现有热电阻的非线性补偿方法是通过硬件高精度可变电阻串联于电路中，通过调整电路中可变电阻的阻值进行相应的补偿。这种方式操作复杂，不同高精度电阻因为加工生产过程中会产生误差，如果按照同一种阻值进行非线性补偿，则会导致热电阻测量误差变大，热电偶非线性补偿也是通过硬件补偿和校正非线性的方法实现，误差较大。如果使用的每种热电阻、热电偶都进行非线性补偿，那么非线性补偿将工程量浩大，十分耗时。

实用新型内容

为了解决上述现有技术问题，本实用新型提供具有可以不使用恒流源芯片，简化电路结构，通用性强等技术特点的一种热电阻和热电偶通用性测温电路。

为了实现上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种热电阻和热电偶通用性测温电路，包括集成模数转换器，所述集成模数转换器内包括电性连接的恒流源输出模块和内部集成放大器，所述集成模数转换器连接有外围电路，所述外围电路包括接口ESD保护电路、热电阻和热电偶接口、处理器，所述热电阻和热电偶接口能够电性连接热电阻或热电偶，所述热电阻和热电偶接口与接口ESD保护电路电性连接，所述集成模数转换器与接口ESD保护电路电性连接以使实现恒流源输出模块通过接口ESD保护电路输出双路恒流源到热电阻和热电偶接口，以及热电阻和热电偶接口通过接口ESD保护电路向集成模数转换器输入电压，所述处理器与集成模数转换器电性连接。

优选的，所述集成模数转换器为ADS124S08模数转换芯片，其包括12个单端输入通道并且12个单端输入通道为6对差分输入通道，最高采样频率4K。

优选的，处理器为TMS320C674X系列DSP处理器，其是功耗较低的浮点数字信号处理器。

优选的，所述接口ESD保护电路包括ESD保护管、二极管，所述ESD保护管型号为82556300，所述二极管：采用Vishay公司的1N4148W肖特基二极管。

优选的，ADS124S08模数转换芯片中：ADS124S08模数转换芯片中：U3的19脚输出恒流源连接到二极管D7阳极，D7阴极连接到端子排J1的5脚，U3的20脚输出恒流源连接到二极管D8阳极，D8阴极连接到端子排J1的6脚，D3一端连接到端子排J1的5脚，D5一端连接到端子排J1的6脚，D3、D5另外一端连接到AGND以作为ESD防护，U2输出端连接到U3的30脚，作为外部参考电压输入，C12、C13连接到U3的26脚，作为AVDD的滤波电容，C14、C15连接到IC1的27、28脚，作为AVSS的滤波电容，C10、C11连接到U3的15、16脚，作为3.3VA的滤波电容，C3连接U3的23脚、24脚，作为内部电压源的滤波电容，C6、C7连接到IC1的18、17脚，作为信号的滤波电容，R4、R5连接到U3的13脚、9脚，作为信号的初始化状态，U3的22脚输出恒流源连接到二极管D12阳极，D12阴极连接到端子排J1的3脚，U3的21脚输出恒流源连接到二极管D9阳极，D9阴极连接到端子排J1的2脚，D13一端连接到端子排J1的2脚，D15一端连接到端子排J1的3脚，D13、D15另外一端连接到AGND，作为ESD防护，端子排J1的1、2、3脚能够作为三线制热电阻传感器输入或者作为热电偶类型传感器输入，端子排J1的4、5、6脚能够作为另一路热电阻传感器或者热电偶传感器的输入，U3的18脚连接到U1的G16脚，U3的17脚连接到U1的G18脚，U3的13脚连接到U1的F17脚，U3的12脚连接到U1的H17脚，U3的11脚连接到U1的G19脚，U3的10脚连接到U1的G17脚，U3的9脚连接到U1的H16脚，U3的8脚连接到U1的F16脚。

有益效果：不使用恒流源芯片，简化电路结构，通用性强；通用性大大提高，可输入不同类型的热电阻和热电偶，不需要硬件再进行改动。

附图说明

图1是现有技术中三线制热电阻测温原理框图之一。

图2是现有技术中热电偶的测温原理框图之一。

图3是现有技术中三线制热电阻测温原理框图之二。

图4是现有技术中热电偶的测温原理框图之二。

图5是本实用新型通用性热电阻、热电偶测温电路原理框图。

图6是本实用新型一个具体实施例中模数转换芯片原理图。

图7是本实用新型实现一个具体实施例中处理器原理图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。

如图1-7所示为一种热电阻和热电偶通用性测温电路的具体实施例，该实施例一种热电阻和热电偶通用性测温电路，其特征在于：包括集成模数转换器，所述集成模数转换器内包括电性连接的恒流源输出模块和内部集成放大器，所述集成模数转换器连接有外围电路，所述外围电路包括接口ESD保护电路、热电阻和热电偶接口、处理器，所述热电阻和热电偶接口能够电性连接热电阻或热电偶，所述热电阻和热电偶接口与接口ESD保护电路电性连接，所述集成模数转换器与接口ESD保护电路电性连接以使实现恒流源输出模块向接口ESD保护电路输入双路恒流源，以及接口ESD保护电路向集成模数转换器输入电压，所述处理器与集成模数转换器电性连接。

如图5所示，本申请采用电路结构简单，只需一片集成模数转换器加外围简单电路就可构成热电阻和热电偶通用性测温电路。

集成模数转换器带有恒流源输出和内部集成放大器,内部恒流源能够进行开关(可以程序控制或者人为控制)且输出恒流源大小可调，适用于市面上大部分热电阻类型的传感器，集成模数转换器的内部集成运算放大器，增益可调，增益步进较小，可以更好的根据集成模数转换器的输入范围进行合理的选择增益，运算放大器属于现有技术，本申请不作详细的介绍。

调整热电阻类型时，只需要上位机(控制端等)选择该类型热电阻即可，其他参数大小会根据热电阻类型而做出相应改变，热电阻类型的更换，硬件修改小，操作方便，此外，双恒流电路共同并接于同一个恒流源上，使测量误差更小、测量结果更加准确。

热电偶测温时，只需上位机(控制端)输入热电偶类型，内部可以通过存储好的参数将关闭恒流源输出，根据输入热电偶的类型，内部相关参数即完成对应改变。不同类型热电偶更换时，只需上位机(控制端)选择相应热电偶类型即可。

优选的一种实施例方式，所述集成模数转换器为ADS124S08模数转换芯片，其包括12个单端输入通道并且12个单端输入通道为6对差分输入通道，最高采样频率4K。

优选的一种实施例方式，处理器为TMS320C674X系列DSP处理器，其是功耗较低的浮点数字信号处理器，包含有存储芯片。测温非线性补偿原理：根据最小二乘法原理对不同类型的热电阻、热电偶采用计算机自动分段的方法，采用标准型热电阻、热电偶特性曲线进行多阶多项式拟合，使拟合精度提高。

本申请中可以将不同的测温非线性补偿数据将存储在内部存储芯片内，使用时或者更换不同类型的温度传感器时无需其他校准操作，方便快捷。

优选的一种实施例方式，所述接口ESD保护电路包括ESD保护管、二极管，所述ESD保护管型号为82556300，所述二极管：采用Vishay公司的1N4148W肖特基二极管。

优选的一种实施例方式，ADS124S08模数转换芯片中：ADS124S08模数转换芯片中：U3的19脚输出恒流源连接到二极管D7阳极，D7阴极连接到端子排J1的5脚，U3的20脚输出恒流源连接到二极管D8阳极，D8阴极连接到端子排J1的6脚，D3一端连接到端子排J1的5脚，D5一端连接到端子排J1的6脚，D3、D5另外一端连接到AGND以作为ESD防护，U2输出端连接到U3的30脚，作为外部参考电压输入，C12、C13连接到U3的26脚，作为AVDD的滤波电容，C14、C15连接到IC1的27、28脚，作为AVSS的滤波电容，C10、C11连接到U3的15、16脚，作为3.3VA的滤波电容，C3连接U3的23脚、24脚，作为内部电压源的滤波电容，C6、C7连接到IC1的18、17脚，作为信号的滤波电容，R4、R5连接到U3的13脚、9脚，作为信号的初始化状态，U3的22脚输出恒流源连接到二极管D12阳极，D12阴极连接到端子排J1的3脚，U3的21脚输出恒流源连接到二极管D9阳极，D9阴极连接到端子排J1的2脚，D13一端连接到端子排J1的2脚，D15一端连接到端子排J1的3脚，D13、D15另外一端连接到AGND，作为ESD防护，端子排J1的1、2、3脚能够作为三线制热电阻传感器输入或者作为热电偶类型传感器输入，端子排J1的4、5、6脚能够作为另一路热电阻传感器或者热电偶传感器的输入，U3的18脚连接到U1的G16脚，U3的17脚连接到U1的G18脚，U3的13脚连接到U1的F17脚，U3的12脚连接到U1的H17脚，U3的11脚连接到U1的G19脚，U3的10脚连接到U1的G17脚，U3的9脚连接到U1的H16脚，U3的8脚连接到U1的F16脚。

最后，需要注意的是，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种热电阻和热电偶通用性测温电路，其特征在于：包括集成模数转换器，所述集成模数转换器内包括电性连接的恒流源输出模块和内部集成放大器，所述集成模数转换器连接有外围电路，所述外围电路包括接口ESD保护电路、热电阻和热电偶接口、处理器，所述热电阻和热电偶接口能够电性连接多个热电阻或/和热电偶，所述热电阻和热电偶接口与接口ESD保护电路电性连接，所述集成模数转换器与接口ESD保护电路电性连接以使实现恒流源输出模块通过接口ESD保护电路输出双路恒流源到热电阻和热电偶接口，以及热电阻和热电偶接口通过接口ESD保护电路向集成模数转换器输入电压，所述处理器与集成模数转换器电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种热电阻和热电偶通用性测温电路，其特征在于：所述集成模数转换器为ADS124S08模数转换芯片，其包括12个单端输入通道并且12个单端输入通道为6对差分输入通道，最高采样频率4K。

3.根据权利要求1或2所述的一种热电阻和热电偶通用性测温电路，其特征在于：所述处理器为TMS320C674X系列DSP处理器，包含有存储芯片，处理器是功耗较低的浮点数字信号处理器。

4.根据权利要求1所述的一种热电阻和热电偶通用性测温电路，其特征在于：所述接口ESD保护电路包括ESD保护管、二极管，所述ESD保护管型号为82556300，所述二极管型号为1N4148W肖特基二极管。

5.根据权利要求2所述的一种热电阻和热电偶通用性测温电路，其特征在于：ADS124S08模数转换芯片中：U3的19脚输出恒流源连接到二极管D7阳极，D7阴极连接到端子排J1的5脚，U3的20脚输出恒流源连接到二极管D8阳极，D8阴极连接到端子排J1的6脚，D3一端连接到端子排J1的5脚，D5一端连接到端子排J1的6脚，D3、D5另外一端连接到AGND以作为ESD防护，U2输出端连接到U3的30脚，作为外部参考电压输入，C12、C13连接到U3的26脚，作为AVDD的滤波电容，C14、C15连接到IC1的27、28脚，作为AVSS的滤波电容，C10、C11连接到U3的15、16脚，作为3.3VA的滤波电容，C3连接U3的23脚、24脚，作为内部电压源的滤波电容，C6、C7连接到IC1的18、17脚，作为信号的滤波电容，R4、R5连接到U3的13脚、9脚，作为信号的初始化状态，U3的22脚输出恒流源连接到二极管D12阳极，D12阴极连接到端子排J1的3脚，U3的21脚输出恒流源连接到二极管D9阳极，D9阴极连接到端子排J1的2脚，D13一端连接到端子排J1的2脚，D15一端连接到端子排J1的3脚，D13、D15另外一端连接到AGND，作为ESD防护，端子排J1的1、2、3脚能够作为三线制热电阻传感器输入或者作为热电偶类型传感器输入，端子排J1的4、5、6脚能够作为另一路热电阻传感器或者热电偶传感器的输入，U3的18脚连接到U1的G16脚，U3的17脚连接到U1的G18脚，U3的13脚连接到U1的F17脚，U3的12脚连接到U1的H17脚，U3的11脚连接到U1的G19脚，U3的10脚连接到U1的G17脚，U3的9脚连接到U1的H16脚，U3的8脚连接到U1的F16脚。

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