CN218381336U - 一种用于极低温测量的仪表 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及温度检测仪表，具体涉及一种用于极低温测量的仪表，包括MCU控制单元、AD转换电路、外部设备通信电路、液晶显示电路和温控设备控制电路；AD转换电路，接收PT1000温度传感器输出的模拟电压信号，对模拟电压信号滤波后进行AD转换得到数字电压信号，并向PT1000温度传感器输出电流信号源获取参考电压；MCU控制单元，接收AD转换电路发送的数字电压信号和参考电压，并结合数字电压信号和参考电压输出温度检测结果；本实用新型提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的采用PT1000温度传感器的工业控制现场温度检测仪表在极低温条件下检测精度较低，缺乏外部温控设备控制功能的缺陷。

Description

一种用于极低温测量的仪表

技术领域

本实用新型涉及温度检测仪表，具体涉及一种用于极低温测量的仪表。

背景技术

目前，工业控制现场会使用到大量覆盖极低温(4K～450K)的温度监测装置，针对该范围内的温度采集，对于不同的测量环境，主要采用传感器进行远距离外部采样。温度监测装置在读取AD值后，利用公式转换成相应的温度数据，以实现对不同测量点的温度采集。此外，在工业控制现场还需要温度监测装置根据设定温度，对外部温控设备进行控制，以使得温度保持在预设范围内。

PT1000温度传感器是利用其内部电阻阻值与温度之间成一定函数关系制成的温度传感器，PT1000热电阻虽然能够在低温条件下表现出较好的稳定性，但是其只是在70K温度以上才具有严格的温度、阻值线性关系，无法在4K～450K之间准确测量极低温。由于PT1000热电阻的阻值在极低温条件下与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。非线性校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟电路校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素的影响。此外，影响PT1000温度传感器在极低温条件下检测精度的因素还包括接线方法和信号质量。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术所存在的上述缺点，本实用新型提供了一种用于极低温测量的仪表，能够有效克服现有技术所存在的采用PT1000温度传感器的工业控制现场温度检测仪表在极低温条件下检测精度较低，缺乏外部温控设备控制功能的缺陷。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种用于极低温测量的仪表，包括MCU控制单元、AD转换电路、外部设备通信电路、液晶显示电路和温控设备控制电路；

AD转换电路，接收PT1000温度传感器输出的模拟电压信号，对模拟电压信号滤波后进行AD转换得到数字电压信号，并向PT1000温度传感器输出电流信号源获取参考电压；

MCU控制单元，接收AD转换电路发送的数字电压信号和参考电压，并结合数字电压信号和参考电压输出温度检测结果；

外部设备通信电路，用于与外部设备进行通信；

液晶显示电路，基于MCU控制单元输出的背光控制信号通过开关电路对液晶屏背光进行控制；

温控设备控制电路，基于MCU控制单元输出的设备控制信号通过继电器对温控设备进行控制。

优选地，所述AD转换电路包括AD转换芯片U13、第一滤波电路、参考电压生成电阻R25和第二滤波电路；

第一滤波电路，连接于PT1000温度传感器、AD转换芯片U13之间，用于对PT1000温度传感器输出的模拟电压信号进行滤波；

AD转换芯片U13，对滤波后的模拟电压信号进行AD转换得到数字电压信号，并向PT1000温度传感器输出电流信号源；

参考电压生成电阻R25，与PT1000温度传感器连接，用于在电流信号源的作用下生成参考电压；

第二滤波电路，连接于参考电压生成电阻R25、AD转换芯片U13 之间，用于对参考电压生成电阻R25生成的参考电压进行滤波。

优选地，所述第一滤波电路包括电阻R17、电阻R21、电容C36、电容C37和电容C38，所述电阻R17、电阻R21均连接于PT1000温度传感器、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚之间；

所述电容C36一端接地，另一端连接于电阻R17、AD转换芯片 U13的检测信号输入引脚之间；

所述电容C37一端连接于电阻R17、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚之间，另一端连接于电阻R21、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚；

所述电容C38一端连接于电阻R21、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚，另一端接地。

优选地，所述第二滤波电路包括电阻R24、电阻R26、电容C39、电容C44和电容C45，所述电阻R24、电阻R26均连接于参考电压生成电阻R25、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚之间；

所述电容C39一端接地，另一端连接于电阻R24、AD转换芯片 U13的参考电压输入引脚之间；

所述电容C44一端连接于电阻R24、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚之间，另一端连接于电阻R26、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚；

所述电容C45一端连接于电阻R26、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚，另一端接地。

优选地，所述PT1000温度传感器与AD转换芯片U13之间采用四线制接线。

优选地，所述外部设备通信电路包括RS485隔离收发器U15和保护电路；

RS485隔离收发器U15，对串口信号进行隔离后转换成RS485电平；

保护电路，用于进行电磁兼容保护。

优选地，所述保护电路包括TVS管D11、TVS管D13、TVS管 D14、自恢复保险丝R27、自恢复保险丝R28和气体放电管D12，所述 TVS管D11、TVS管D13、TVS管D14依次连接，所述TVS管D11 与TVS管D14连接，所述RS485隔离收发器U15的输出引脚分别连接TVS管D11与TVS管D13之间、TVS管D13与TVS管D14之间；

所述TVS管D11与TVS管D13之间连接自恢复保险丝R27，所述TVS管D13与TVS管D14之间连接自恢复保险丝R28，所述自恢复保险丝R27、自恢复保险丝R28之间连接气体放电管D12。

优选地，所述液晶显示电路包括显示芯片U6和开关电路，所述开关电路包括三极管Q1和电阻R11，所述三极管Q1的基极接收MCU 控制单元输出的背光控制信号，所述三极管Q1的集电极接入液晶屏背光K脚，所述液晶屏背光A脚通过电阻R11接入3.3V电源。

优选地，所述温控设备控制电路包括光耦U16和继电器R49，所述光耦U16输入端接收MCU控制单元输出的设备控制信号，所述光耦U16输出端连接安装于温控设备上的继电器R49。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型所提供的一种用于极低温测量的仪表，具有以下有益效果：

1)采用抗干扰能力更强的四线制接线、恒流源供电方式进行高精度测温，PT1000温度传感器与AD转换芯片U13之间采用四线制接线，只需AD转换芯片U13输出一路恒流源，便能够完全消除导线内阻的影响，而且无需要求导线长度、材料一致；

2)采用第一滤波电路对PT1000温度传感器输出的模拟电压信号进行滤波，采用第二滤波电路对参考电压生成电阻R25生成的参考电压进行滤波，能够有效提高模拟电压信号与参考电压信号的信号质量， AD转换芯片U13对滤波后的模拟电压信号进行AD转换得到数字电压信号，使得MCU控制单元能够结合数字电压信号和参考电压输出准确的温度检测结果；

3)利用温控设备控制电路能够接收MCU控制单元输出的设备控制信号，从而可以根据设定温度通过继电器对温控设备进行有效控制，以使得温度保持在预设范围内。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的电气原理框图；

图2为本实用新型中AD转换电路的电路图；

图3为本实用新型中外部设备通信电路的电路图；

图4为本实用新型中液晶显示电路的电路图；

图5为本实用新型中温控设备控制电路的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种用于极低温测量的仪表，如图1所示，包括MCU控制单元、 AD转换电路、外部设备通信电路、液晶显示电路和温控设备控制电路；

AD转换电路，接收PT1000温度传感器输出的模拟电压信号，对模拟电压信号滤波后进行AD转换得到数字电压信号，并向PT1000温度传感器输出电流信号源获取参考电压；

MCU控制单元，接收AD转换电路发送的数字电压信号和参考电压，并结合数字电压信号和参考电压输出温度检测结果；

外部设备通信电路，用于与外部设备进行通信；

液晶显示电路，基于MCU控制单元输出的背光控制信号通过开关电路对液晶屏背光进行控制；

温控设备控制电路，基于MCU控制单元输出的设备控制信号通过继电器对温控设备进行控制。

①如图2所示，AD转换电路包括AD转换芯片U13、第一滤波电路、参考电压生成电阻R25和第二滤波电路；

第一滤波电路，连接于PT1000温度传感器、AD转换芯片U13之间，用于对PT1000温度传感器输出的模拟电压信号进行滤波；

AD转换芯片U13，对滤波后的模拟电压信号进行AD转换得到数字电压信号，并向PT1000温度传感器输出电流信号源(250μA恒流源)；

参考电压生成电阻R25，与PT1000温度传感器连接，用于在电流信号源的作用下生成参考电压；

第二滤波电路，连接于参考电压生成电阻R25、AD转换芯片U13 之间，用于对参考电压生成电阻R25生成的参考电压进行滤波。

1)第一滤波电路包括电阻R17、电阻R21、电容C36、电容C37 和电容C38，电阻R17、电阻R21均连接于PT1000温度传感器、AD 转换芯片U13的检测信号输入引脚之间；

电容C36一端接地，另一端连接于电阻R17、AD转换芯片U13 的检测信号输入引脚之间；

电容C37一端连接于电阻R17、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚之间，另一端连接于电阻R21、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚；

电容C38一端连接于电阻R21、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚，另一端接地。

2)第二滤波电路包括电阻R24、电阻R26、电容C39、电容C44 和电容C45，电阻R24、电阻R26均连接于参考电压生成电阻R25、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚之间；

电容C39一端接地，另一端连接于电阻R24、AD转换芯片U13 的参考电压输入引脚之间；

电容C44一端连接于电阻R24、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚之间，另一端连接于电阻R26、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚；

电容C45一端连接于电阻R26、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚，另一端接地。

3)PT1000温度传感器与AD转换芯片U13之间采用四线制接线。

如图2所示，AIN3和AIN01连接PT1000温度传感器的一端，AIN11 和REF连接PT1000温度传感器的另一端，AD转换芯片U13输出的电流信号源(250μA恒流源)通过AIN3流经PT1000温度传感器，再流过参考电压生成电阻R25，从而在REFP0和REFN0之间生成参考电压。

上述技术方案，采用抗干扰能力更强的四线制接线、恒流源供电方式进行高精度测温，PT1000温度传感器与AD转换芯片U13之间采用四线制接线，只需AD转换芯片U13输出一路恒流源，便能够完全消除导线内阻的影响，而且无需要求导线长度、材料一致。

上述技术方案，采用第一滤波电路对PT1000温度传感器输出的模拟电压信号进行滤波，采用第二滤波电路对参考电压生成电阻R25生成的参考电压进行滤波，能够有效提高模拟电压信号与参考电压信号的信号质量，AD转换芯片U13对滤波后的模拟电压信号进行AD转换得到数字电压信号，使得MCU控制单元能够结合数字电压信号和参考电压输出准确的温度检测结果。

②如图3所示，外部设备通信电路包括RS485隔离收发器U15和保护电路；

RS485隔离收发器U15，对串口信号进行隔离后转换成RS485电平；

保护电路，用于进行电磁兼容保护。

其中，保护电路包括TVS管D11、TVS管D13、TVS管D14、自恢复保险丝R27、自恢复保险丝R28和气体放电管D12，TVS管D11、 TVS管D13、TVS管D14依次连接，TVS管D11与TVS管D14连接， RS485隔离收发器U15的输出引脚分别连接TVS管D11与TVS管D13 之间、TVS管D13与TVS管D14之间；

TVS管D11与TVS管D13之间连接自恢复保险丝R27，TVS管 D13与TVS管D14之间连接自恢复保险丝R28，自恢复保险丝R27、自恢复保险丝R28之间连接气体放电管D12。

如图3所示，串口信号RS485_RX、RX485_TX和RS485_DR经 RS485隔离收发器U15进行隔离后，转换成RS485电平，经保护电路后输出RS485信号。

③如图4所示，液晶显示电路包括显示芯片U6和开关电路，开关电路包括三极管Q1和电阻R11，三极管Q1的基极接收MCU控制单元输出的背光控制信号，三极管Q1的集电极接入液晶屏背光K脚，液晶屏背光A脚通过电阻R11接入3.3V电源。

液晶屏采用192*96的LCD液晶显示屏，显示芯片U6采用SPI 接口与MCU控制单元输出连接，MCU控制单元输出的背光控制信号 LCD_BL经三极管Q1控制LCD液晶显示屏背光的开/关。

④如图5所示，温控设备控制电路包括光耦U16和继电器R49，光耦U16输入端接收MCU控制单元输出的设备控制信号，光耦U16 输出端连接安装于温控设备上的继电器R49。

MCU控制单元输出的设备控制信号KW经光耦U16隔离，控制继电器R49动作，以控制温控设备(加热设备/制冷设备)的开/关。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于极低温测量的仪表，其特征在于：包括MCU控制单元、AD转换电路、外部设备通信电路、液晶显示电路和温控设备控制电路；

AD转换电路，接收PT1000温度传感器输出的模拟电压信号，对模拟电压信号滤波后进行AD转换得到数字电压信号，并向PT1000温度传感器输出电流信号源获取参考电压；

MCU控制单元，接收AD转换电路发送的数字电压信号和参考电压，并结合数字电压信号和参考电压输出温度检测结果；

外部设备通信电路，用于与外部设备进行通信；

液晶显示电路，基于MCU控制单元输出的背光控制信号通过开关电路对液晶屏背光进行控制；

温控设备控制电路，基于MCU控制单元输出的设备控制信号通过继电器对温控设备进行控制。

2.根据权利要求1所述的用于极低温测量的仪表，其特征在于：所述AD转换电路包括AD转换芯片U13、第一滤波电路、参考电压生成电阻R25和第二滤波电路；

第一滤波电路，连接于PT1000温度传感器、AD转换芯片U13之间，用于对PT1000温度传感器输出的模拟电压信号进行滤波；

AD转换芯片U13，对滤波后的模拟电压信号进行AD转换得到数字电压信号，并向PT1000温度传感器输出电流信号源；

参考电压生成电阻R25，与PT1000温度传感器连接，用于在电流信号源的作用下生成参考电压；

第二滤波电路，连接于参考电压生成电阻R25、AD转换芯片U13之间，用于对参考电压生成电阻R25生成的参考电压进行滤波。

3.根据权利要求2所述的用于极低温测量的仪表，其特征在于：所述第一滤波电路包括电阻R17、电阻R21、电容C36、电容C37和电容C38，所述电阻R17、电阻R21均连接于PT1000温度传感器、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚之间；

所述电容C36一端接地，另一端连接于电阻R17、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚之间；

所述电容C37一端连接于电阻R17、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚之间，另一端连接于电阻R21、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚；

所述电容C38一端连接于电阻R21、AD转换芯片U13的检测信号输入引脚，另一端接地。

4.根据权利要求2所述的用于极低温测量的仪表，其特征在于：所述第二滤波电路包括电阻R24、电阻R26、电容C39、电容C44和电容C45，所述电阻R24、电阻R26均连接于参考电压生成电阻R25、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚之间；

所述电容C39一端接地，另一端连接于电阻R24、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚之间；

所述电容C44一端连接于电阻R24、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚之间，另一端连接于电阻R26、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚；

所述电容C45一端连接于电阻R26、AD转换芯片U13的参考电压输入引脚，另一端接地。

5.根据权利要求2所述的用于极低温测量的仪表，其特征在于：所述PT1000温度传感器与AD转换芯片U13之间采用四线制接线。

6.根据权利要求1所述的用于极低温测量的仪表，其特征在于：所述外部设备通信电路包括RS485隔离收发器U15和保护电路；

RS485隔离收发器U15，对串口信号进行隔离后转换成RS485电平；

保护电路，用于进行电磁兼容保护。

7.根据权利要求6所述的用于极低温测量的仪表，其特征在于：所述保护电路包括TVS管D11、TVS管D13、TVS管D14、自恢复保险丝R27、自恢复保险丝R28和气体放电管D12，所述TVS管D11、TVS管D13、TVS管D14依次连接，所述TVS管D11与TVS管D14连接，所述RS485隔离收发器U15的输出引脚分别连接TVS管D11与TVS管D13之间、TVS管D13与TVS管D14之间；

所述TVS管D11与TVS管D13之间连接自恢复保险丝R27，所述TVS管D13与TVS管D14之间连接自恢复保险丝R28，所述自恢复保险丝R27、自恢复保险丝R28之间连接气体放电管D12。

8.根据权利要求1所述的用于极低温测量的仪表，其特征在于：所述液晶显示电路包括显示芯片U6和开关电路，所述开关电路包括三极管Q1和电阻R11，所述三极管Q1的基极接收MCU控制单元输出的背光控制信号，所述三极管Q1的集电极接入液晶屏背光K脚，所述液晶屏背光A脚通过电阻R11接入3.3V电源。

9.根据权利要求1所述的用于极低温测量的仪表，其特征在于：所述温控设备控制电路包括光耦U16和继电器R49，所述光耦U16输入端接收MCU控制单元输出的设备控制信号，所述光耦U16输出端连接安装于温控设备上的继电器R49。

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