CN217483704U - 一种带有温度补偿的ntc热电阻测温卡件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，包括CPU单元和多组测温电路，每组测温电路分别通过A/D转换模块连接至CPU单元，CPU单元经通信模块分别采用485通信、CAN总线和工业以太网方式连接DPU单元；其中，每路测温电路包括依次连接的电源单元、测温及温度补偿单元、电压跟随器、减法器、放大电路和滤波电路；该卡件中测温及温度补偿单元采用桥型电路设计，可以减小测温过程的非线性，对测温元件进行温度补偿，提高测温精确度。过电压保护模块也可以避免电压波动损坏电路元器件。该卡件采用多种通信方式冗余的通信形式，避免CAN通信中断或者485通信中断或者以太网通信中断引起工作暂停，保证设备通讯的可靠性。

Description

一种带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件

技术领域

本发明涉及一种温度补偿电路，属于工业生产中的温度测量领域。

背景技术

当前工业生产中，一般采用热敏电阻温度传感器作为测温探头进行温度测量，测量结果经电路板进行传输至回路控制器，其中，热敏电阻温度传感器是一种小型的测温电子元件，它的特性是随着温度变化而改变其它对电流的的阻力，是一种比较常的测量温度的方法。但是，热敏电阻温度传感器也具有如下缺点：1) 阻值非线性，线性度较差；2)测温精度低。

现有测温电路中的电路板一般暴露在工业生产现场，而工业现场常伴随着震动，冲击，灰尘，高温，高湿，将由精密的电子元件构成电路板直接放置于工业现场，对于其集成的电路的使用和寿命都会有负面影响。

传统的回路控制器普遍单一采用485通信或CAN通信或以太网通信，三者各自具有优缺点，但是，采用单一通信方式的回路控制器一旦发生通信故障时，就会导致设备整体瘫痪，可靠性还有待提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，同时配备多种通信方式冗余的通信形式，具备通讯可靠性强、测温精度高的优点。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，包括CPU单元和多组测温电路，每组测温电路分别通过A/D转换模块连接至CPU单元，CPU单元经通信模块分别采用485通信、CAN总线和工业以太网方式连接DPU单元；其中，每路测温电路包括依次连接的电源单元、测温及温度补偿单元、电压跟随器、减法器、放大电路和滤波电路；

所述测温及温度补偿单元采用桥型电路，包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、电位器和NTC热电阻；其中，第三电阻构成第一桥臂，第五电阻构成第二桥臂，电位器构成第三桥臂，第四电阻和NTC热电阻并联后构成第四桥臂；所述NTC热电阻作为测温探头并经引线引出放置于测温度。

进一步地，所述电压跟随器器包括第一运算放大器和第二运算放大器。

所述测温及温度补偿单元中，第一桥臂和第二桥臂的中点连接电压跟随器的第一运算放大器的正向输入端；第三桥臂和第四桥臂的中点连接电压跟随器的第二运算放大器的正向输入端。

进一步地，所述电源单元包括电源、第一电阻、第二电阻和第三运算放大器。

进一步地，所述电源单元中的电源还配设有过电压保护模块。

进一步地，所述减法器包括第七电阻、第八电阻、第十一电阻、第十二电阻和第四运算放大器。

进一步地，所述放大电路包括第九电阻、第十电阻、第十三电阻和第五运算放大器。

进一步地，所述滤波电路包括第一电容和第二电容。

进一步地，所述NTC热电阻选用MF52A103F型号NTC热电阻；所述电位器选用WXD3-13-2W型电位器；第一、第二、第三、第四和第五运算放大器均选用LM324芯片；

进一步地，所述CPU单元选用STC系列单片机，所述A/D转换模块选用 ADS8328型转换模块。

进一步地，所述过电压保护模块采用钳位二极管或稳压二极管。

本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果：

1、本实用新型提出一种带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，该卡件中测温及温度补偿单元采用桥型电路设计，可以减小测温过程的非线性，对测温元件进行温度补偿，提高测温精确度。

2、本实用新型的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件中，电源单元能够模拟双电源供电，能够确保减法电路工作正确。过电压保护模块也可以避免电压波动损坏电路元器件。

3、本实用新型的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件采用多种通信方式冗余的通信形式，避免CAN通信中断或者485通信中断或者以太网通信中断引起工作暂停，保证设备通讯的可靠性。

4、本实用新型的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件将测温电路封装成卡件的形式集成放置到机柜中，可以起到保护电路的作用。

附图说明

通过参照附图的本实用新型的优选的非限制性实施方式的详细说明，本实用新型的所述的及其他的特征将变得更加清楚，其中：

图1为实施例中带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件与总线连接结构示意图；

图2为实施例中测温电路的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及对应附图对本实用新型作进一步说明。

以下实例中，第一电阻-电阻R1；第二电阻-电阻R2；第三电阻-电阻R3；第四电阻-电阻R4；第五电阻-电阻R5；第七电阻-电阻R7；第八电阻-电阻R8；第九电阻-电阻R9；第十电阻-电阻R10；第十一电阻-电阻R11；第十二电阻-电阻R12；第十三电阻-电阻R13；第一电容-电容C1；第二电容-电容C2；

第一运算放大器-运算放大器U1:B；第一运算放大器-运算放大器U1:C；第三运算放大器-运算放大器U1:A；第四运算放大器-运算放大器U1:D；第五运算放大器-运算放大器U2:A。

实施例一：

本实施例的一种带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，如图1所示，包括 CPU单元和多组测温电路，每组测温电路分别通过A/D转换模块连接至CPU单元，CPU单元经通信模块分别采用485通信、CAN总线和工业以太网方式连接 DPU单元；其中，每路测温电路包括依次连接的电源单元、测温及温度补偿单元、电压跟随器、减法器、放大电路和滤波电路；

如图2所示，测温及温度补偿单元采用桥型电路，包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电位器R6和NTC热电阻RT1；其中，电阻R3构成第一桥臂，电阻 R5构成第二桥臂，电位器R6构成第三桥臂，电阻R4和NTC热电阻RT1并联后构成第四桥臂；NTC热电阻RT1通过引线引出并制成测温探头，测温探头放置到测温点。

实施例二：

本实施例的进一步可选设计在于：如图2所示，过压保护电路包括电源、电阻R1、电阻R2和运算放大器U1:A；其中，电阻R1、电阻R2的阻值为10kΩ；电源还配设有过电压保护模块，运算放大器U1:A正向输入引脚连接电阻R1一端和电阻R2一端，电阻R1的另一端连接电源，电阻R2的另一端连接地，运算放大器U1:A的反相输入端与输出端相连，运算放大器U1:A的引脚4连接电源，引脚11连接地；本例中过电压保护模块采用钳位二极管或稳压二极管，保证输出电压为5V，电源使用单电源5V供电实现双电源供电的目的。

电压跟随器包括运算放大器U1:B和运算放大器U1:C，运算放大器U1:B和运算放大器U1:C的引脚11均接地，运算放大器U1:B和运算放大器U1:C的引脚4均接入过压保护电路中的电源，运算放大器U1:B的正向输入引脚与连接后的电位器R6、电阻R4和NTC热电阻RT1相连；运算放大器U1:C的正向输入引脚与连接后的电阻R3和电阻R5相连，运算放大器U1:B和运算放大器U1:C 的反向输入引脚与各自的输出端相连；

测温及温度补偿单元中，电阻R3、电阻R5的阻值为5kΩ；R4的阻值为10kΩ； NTC热电阻RT1采用33k负温度系数热敏电阻；第一桥臂和第二桥臂的中点连接电压跟随器的运算放大器U1:C的正向输入端；第三桥臂和第四桥臂的中点连接电压跟随器的运算放大器U1:B的正向输入端，具体连接为：NTC热电阻RT1 和电阻R4并联，电阻R3的一端和电位器R6的一端相连后接入过电压保护模块中的电源，电阻R3的另一端和电阻R5的一端相连后接入电压跟随器运算放大器U1:C的正向输入端，电位器R6的另一端和电阻R4的一端、NTC热电阻RT1的一端连接后接入电压跟随器运算放大器U1:B的正向输入端，电阻R5的另一端、电阻R4的另一端、NTC热电阻RT1的另一端相连后接入运算放大器U1:A 的输出端。

减法器包括电阻R7、电阻R8、电阻R11、电阻R12和运算放大器U1:D；电阻R7、电阻R8、电阻R11、电阻R12的阻值均为5kΩ；

运算放大器U1:D正向输入引脚与电阻R12的一端和电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与运算放大器U1:A的输出端相连，电阻R12的另一端与运算放大器U1:C的输出端相连，电阻R7的一端与运算放大器U1:B的输出端相连，运算放大器U1:D的反向输入端与电阻R7的另一端和电阻R8的一端相连，电阻 R8的另一端与运算放大器U1:D的输出端相连；运算放大器U1:D的引脚4连接过压保护电路中的电源，引脚11连接地。

放大电路单元包括电阻R9、电阻R10、电阻R13和运算放大器U2:A；电阻 R9、电阻R10的阻值均为10kΩ；运算放大器U2:A正向输入引脚与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与运算放大器U1:D的相连；运算放大器U2:A的反向输入端与电阻R9一端相连，电阻R9的另一端与过压保护电路中运算放大器U1:A的输出端相连；运算放大器U2:A的引脚4连接过压保护电路中电源，引脚11连接地，电阻R13的一端与运算放大器的反相输入端相连，电阻R13的另一端与运算放大器U2:A的输出端相连；

滤波电路包括电容C1与电容C2；电容C1与电容C2的容值均为10μf；电容C1与电容C2并联后一端与运算放大器U2:A的输出端相连，另一端与过压保护电路中运算放大器U1:A的输出端相连。

实施例三：

本实施例的进一步可选设计在于：NTC热电阻RT1选用MF52A103F型号 NTC热电阻；电位器R6选用WXD3-13-2W型电位器；运算放大器U1:A、运算放大器U1:B、运算放大器U1:C和运算放大器U1:D均选用LM324芯片。CPU 单元选用STC系列单片机，上述A/D转换模块选用ADS8328型转换模块。

实施例四：

本实施例的一种带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，该测温卡件的结构和卡件与总线的连接方式如图1，为防止测温电路被现场温度影响，将测温卡件放置于现场机柜中，并将NTC电阻从测温电路中电桥桥臂引出，制作成测温探头，用于测量被测温点的温度。为实现多点测温，本例采用了四组“A/D转换- 测温电路”同时测温，测温电路采集到的温度信号通过A/D转换模块转换成数字量。图中CPU单元用于采集、分析数字量输入，并把数字量输入进行数据分析，最后将整合分析后的结果传入通信模块，通信模块收到信号后，检测当前可用通讯线路，通过相应端口将信号通过485或CAN或以太网进行传输。

测温电路的电路图如图2所示，该测量电路包括包括依次连接的过压保护电路、测温及温度补偿单元、电压跟随器、减法器、放大电路和滤波电路。

其中电源单元中电源采用钳位二极管作为过电压保护模块进行电压保护，保证输出电压为5V，电源单元使用单电源5V供电实现双电源供电的目的。其基本原理是使用两个10kΩ电阻分压，分出一个2.5V作为“虚拟地”，+5V作为正电源(+VCC)，原来的地作为负电源(VEE)，为了保证分压分出的虚拟地2.5V 不受后续电路的影响，将电压的输出后加了一个电压跟随器，保证电压的恒定。之后是一个桥型电路，桥的四个臂中两个桥臂接了5kΩ的电阻R3和电阻R5，一个桥臂上是10kΩ电阻R4和NTC热电阻RT1的并联，另一个桥臂上是电位器R6，用于温度补偿，当温度变化时引起热敏电阻阻值的变化，进而热敏电阻所在的桥臂上电压值也会发生改变，那么桥型电路桥臂上两个节点间的电压一个因为定值电阻分压维持不变，另一个将随温度发生改变，桥型电路桥臂上两个节点间的电压的差值为所要测量的信号。其中，温度补偿机制的具体实现方法为在一个桥臂的NTC热电阻RT1，和另一个桥臂的电位器R6同时连接到运放电路，由该放大电路负端与电路输出端相连。当测温探头所处环境温度升高时，测量精度会随温度升高而降低，通过调节电位器R6的阻值，对测温电路进行补偿，使测温卡件的线性度提高，从而实现温度补偿。接下来在桥臂的两端连接电压跟随器，使其输出的电压与前面电路的实际电压相符。减法器使用一个运放计算电压跟随器输出的两个电压的差值，这个差值即为原始信号，当温度改变时，这个差值也会改变。为了使电压的变化变得更直观可见，方便后续的A/D采集，还设有放大电路单元放大输出的电压值。

对于上述求得的差值，为使电压的变化变得更直观可见，方便后续的A/D 采集，特别设计了一个放大电路放大输出的电压值。

为实现滤波功能，在电压输出端加上了由两个滤波电容构成的滤波电路，滤去杂波。

将上面得到的电压值通过A/D转换输入到单片机(CPU单元)中进行数据处理。当通信模块接收到单片机发来的电压之后，检测当前可用通讯线路，并把温度补偿后的数值通过通讯端口传输到通讯线路上，最后将温度信号传输到 DPU单元中参与控制。

其中，对于测温电路包括过电源单元、测温及温度补偿单元、电压跟随器、减法器、放大电路和滤波电路。

运算放大器可采用LM324芯片、NTC热电阻可采用MF52A103F、电位器可采用WXD3-13-2W；

电源单元由过压保护模块引出5V电源，运算放大器U1:A正向输入引脚连接电阻R1和电阻R2，电阻R1的另一端连接5V电源，电阻R2的另一端连接地，运算放大器U1:A的反相输入端与输出端相连，运算放大器U1:A的引脚4 连接5V电源，引脚11连接地。

为减小测温过程中的非线性因素，测温单元设计为一个电桥，包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电位器R6和一个NTC热电阻RT1，其中，电位器R6的作用是对NTC热电阻(出现温度漂移时)进行温度补偿，提高温度测温精度。NTC 热电阻RT1和电阻R4并联，电阻R3的一端和电位器R6的一端相连后接入5V 电源，电阻R3的另一端和电阻R5的一端相连后接入电压跟随器运算放大器 U1:C的正向输入端，电位器R6的另一端和电阻R4的一端、NTC热电阻RT1的一端连接后接入电压跟随器运算放大器U1:B的正向输入端，电阻R5的另一端、电阻R4的另一端、NTC热电阻RT1的另一端相连后接入运算放大器U1:A 的输出端。

电压跟随器由两个运算放大器构成，运算放大器U1:B和运算放大器U1:C 的引脚11接地，引脚4与5V电源相连，正向输入引脚与测温单元相连，反向输入引脚与各自的输出端相连。

减法器，运算放大器U1:D正向输入引脚与电阻R12的一端和电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与运算放大器U1:A的输出端相连，电阻R12的另一端与运算放大器U1:C的输出端相连，电阻R7的一端与运算放大器U1:B的输出端相连，运算放大器U1:D的反向输入端与电阻R7的另一端和电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与运算放大器U1:D的输出端相连。运算放大器U1:D的引脚4连接5V电源，引脚11连接地。

放大电路，运算放大器U2:A正向输入引脚与电阻R10的一端相连，电阻 R10的另一端与运算放大器U1:D的输出端相连，运算放大器U2:A的反向输入端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与运算放大器U1:A的输出端相连，运算放大器U2:A的引脚4连接5V电源，引脚11连接地，电阻R13的一端与运算放大器的反相输入端相连，电阻R13的另一端与运算放大器U2:A的输出端相连。

滤波电路，电容C1与电容C2并联后，一端与运算放大器U1:A的输出端相连，另一端与运算放大器U2:A的输出端相连。

将滤波处理后的电压值通过A/D转换输入到CPU单元中，CPU单元将现场测量到的四组温度数据进行整合处理。当通信模块接收到CPU发来的电压信号之后，检测当前可用通讯线路，并把温度补偿后的数值通过通讯端口传输到通讯线路上，最后将温度信号传输到DPU中参与控制。

Claims (10)

1.一种带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，其特征在于：包括CPU单元和多组测温电路，每组测温电路分别通过A/D转换模块连接至CPU单元，CPU单元经通信模块分别采用485通信、CAN总线和工业以太网方式连接DPU单元；其中，每路测温电路包括依次连接的电源单元、测温及温度补偿单元、电压跟随器、减法器、放大电路和滤波电路；

所述测温及温度补偿单元采用桥型电路，包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、电位器和NTC热电阻；其中，第三电阻构成第一桥臂，第五电阻构成第二桥臂，电位器构成第三桥臂，第四电阻和NTC热电阻并联后构成第四桥臂；所述NTC热电阻作为测温探头并经引线引出放置于测温度。

2.根据权利要求1所述的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，其特征在于：所述电压跟随器包括第一运算放大器和第二运算放大器；所述测温及温度补偿单元中，第一桥臂和第二桥臂的中点连接电压跟随器的第一运算放大器的正向输入端；第三桥臂和第四桥臂的中点连接电压跟随器的第二运算放大器的正向输入端。

3.根据权利要求2所述的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，其特征在于：所述电源单元包括电源、第一电阻、第二电阻和第三运算放大器。

4.根据权利要求2所述的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，其特征在于：所述电源单元中的电源还配设有过电压保护模块。

5.根据权利要求2所述的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，其特征在于：所述减法器包括第七电阻、第八电阻、第十一电阻、第十二电阻和第四运算放大器。

6.根据权利要求2所述的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，其特征在于：所述放大电路包括第九电阻、第十电阻、第十三电阻和第五运算放大器。

7.根据权利要求2所述的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，其特征在于：所述滤波电路包括第一电容和第二电容。

8.根据权利要求1～7任一所述的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，其特征在于：所述NTC热电阻选用MF52A103F型号NTC热电阻；所述电位器选用WXD3-13-2W型电位器；第一、第二、第三、第四和第五运算放大器均选用LM324芯片。

9.根据权利要求8所述的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，其特征在于：所述CPU单元选用STC系列单片机；所述A/D转换模块选用ADS8328型转换模块。

10.根据权利要求4所述的带有温度补偿的NTC热电阻测温卡件，其特征在于：所述过电压保护模块采用钳位二极管或稳压二极管。

Images