CN218545937U - 一种提高热电阻测量精度的电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高热电阻测量精度的电路，包括热电阻、信号调理电路、ADC采样电路、MCU处理器电路、热电阻激励电路参数选择电路、热电阻激励电路，热电阻的第一端与所述信号调理电路的一端连接，信号调理电路的另一端与ADC采样电路的一端连接，ADC采样电路的另一端与所述MCU处理器电路的第一端连接。本实用新型通过在热电阻激励电路中增加热电阻激励电路的选择参数，根据热电阻类型来选择合适的激励电路电流，当热电阻类型为较小电阻时，采用提高激励电流的方式来输出给调理电路的电压，从而保证热电阻测量电路在采集不同类型热电阻时的测量精度。

Description

一种提高热电阻测量精度的电路

技术领域

本实用新型涉及工业控制技术领域，具体来说，涉及一种提高热电阻测量精度的电路。

背景技术

热电阻是温度测量仪表中的常用测量组件，为保证温度测量的精度，需要确保热电阻采样模块达到设计要求的精度。

目前热电阻温度测量大量应用于工业领域，在DCS(Distributed ControlSystem，分布式控制系统)、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制)控制系统中一般都采用模拟量采样模块来采样热电阻信号，主流的方式是通过使用恒流源激励热电阻温度传感器，通过测量温度传感器上的电压来计算热电阻的电阻值，然后通过电阻值查询实际测得的温度。

而常见的热线组包括Cu10、Cu50、Cu100、PT10、PT100、PT1000等，需要测量的电阻值范围从1欧姆～4000欧姆，最小的量程Cu10的范围为1～20欧姆，最大的量程PT1000的范围为185欧姆～4000欧姆，如果要兼顾最大最小量程，需要依靠高精度、高放大倍数的ADC来实现，但这些ADC基本都是国外品牌，国内的ADC器件在信号放大方面与国外器件相比还有一定差距，但国外品牌器件受到国际市场波动的影响，无法获取稳定可靠的供应，因此采用ADC成为一种必然选择，所以在以ADC为核心的采集电路如何在满足热电阻小信号采集精度且方案经济可行变得尤为重要。

实用新型内容

针对相关技术中的问题，本实用新型提出一种提高热测量精度的电路，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本实用新型采用的具体技术方案如下：

一种提高热电阻测量精度的电路，包括热电阻、信号调理电路、ADC采样电路、MCU处理器电路、热电阻激励电路参数选择电路、热电阻激励电路，热电阻的第一端与信号调理电路的一端连接，信号调理电路的另一端与ADC采样电路的一端连接，ADC采样电路的另一端与MCU处理器电路的第一端连接，MCU处理器电路的第二端与热电阻激励电路参数选择电路的一端连接，热电阻激励电路参数选择电路的另一端与热电阻激励电路一端连接，热电阻激励电路的另一端与热电阻的第二端连接。

进一步的，信号调理电路包括：共模电感L2、磁珠、电阻器、电容、接地线，共模电感L2的第一端与传感器端子SENSOR1的正极连接，共模电感L2的第二端与磁珠FB4一端连接，共模电感L2的第三端与磁珠FB3一端连接，共模电感L2的第四端与传感器端子SENSOR1的负极连接，磁珠FB4的另一端与电阻器R6一端连接，且磁珠FB3的另一端与电阻器R5连接，电阻器R6的另一端与电容C15、端子AIN1正极、电容C14连接及电阻器R5的另一端与电容C14、端子AIN1负极及电容C13连接，电容C13与电容C15的另一端均与接地线连接。

进一步的，ADC采样电路包括：ADC芯片、电容器、电阻器，ADC芯片的第一端与电阻器R252连接，ADC芯片的第三端与电阻器R252另一端及接地线连接，ADC芯片的第四端与端子AIN1正极连接，ADC芯片的第五端与端子AIN1负极连接，ADC芯片的第六端与电容C154、电容C155及接地线连接，ADC芯片的第七端与电容C154、电容C155及接地线连接，ADC芯片的第八端与正五伏电源、电容C154另一端及电容C155另一端连接，ADC芯片的第九端与电阻器R250一端连接，ADC芯片的第十端与电阻器R248一端连接，电阻器R248的另一端端子L2C_CLK连接，电阻器R250的另一端与端子L2C_DAT连接。

进一步的，MCU处理器电路包括：MCU处理器、电容、电阻器、磁珠、恒流源大小选择GPIO及驱动，MCU处理器依次连接有电阻器R24、电阻器R66、电阻器R67、正3.3V电源、接地线、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C7、电容C8、电容C9、电容C11、电容C1、电容C55、电容C6、电容C16、磁珠FB1、磁珠FB2、及恒流源大小选择GPIO及驱动，电阻器R66的另一端与接口I2C_CLK连接，电阻器R67的另一端与接口I2C_DAT连接，磁珠FB1另一端连接有正3.3伏电源及电容C10一端，磁珠FB2的另一端连接有接地线及电容C10另一端，电容C1的另一端连接有接地线，电容C16的另一端连接有接地线，电阻器R24的另一端与接口CPU_NRST连接。

进一步的，热电阻激励电路参数选择电路包括：精密电阻、单刀双掷电磁继电器，精密电阻Ris的一端与单刀双掷电磁继电器K一端连接，精密电阻Ris1的一端与单刀双掷电磁继电器K一端连接，且单刀双掷电磁继电器K的另一端与接地线连接。

进一步的，热电阻激励电路包括：集成运算放大器、电阻器、精密电阻、热电阻，集成运算放大器一的负极与电阻器R1及R2的一端连接，集成运算放大器一的正极与电阻器R3及R4的一端连接，集成运算放大器一的一端与电阻器R2的另一端及精密电阻Ris的一端连接，电阻器R1的另一端连接有接地线，R3的另一端连接有接口PEF2.5V，R4的另一端与集成运算放大器二的一端连接，精密电阻Ris的另一端与热电阻连接，且热电阻的另一端连接有接地线，集成运算放大器二的负极与R4的一端连接，集成运算放大器二的正极与Ris及热电阻连接。

进一步的，恒流源大小选择GPIO及驱动的第一端及第三顿与接地线连接，恒流源大小选择GPIO及驱动的第二端与MCU处理器连接，恒流源大小选择GPIO及驱动的第四端与接口IS_SELECT连接，恒流源大小选择GPIO及驱动的第五端与相同正五伏电源。

本实用新型的有益效果为：

1、通过在热电阻激励电路中增加热电阻激励电路电流选择参数，选择合适的激励电流的方式，为不同类型的热电阻选择合适的激励电流，当热电阻类型为量程范围较小热电阻电阻时，选择大激励电流，而当热电阻类型为量程范围较小热电阻电阻时，选择小的激励电流，保证热电阻激励后输出给调理电路的电压在最佳测量范围，从而保证热电阻测量电路在采集不同类型热电阻时的测量精度，无需通过更高要求的信号调理电路、高性能ADC来获得高精度的热电阻采样。

2、通过MCU处理器电路、热电阻激励电路参数选择电路配合选择选择热电阻激励电路的适合参数，使得采用常用的信号调理电路、ADC采样电路可以达到类似采用国外高精度、高放大倍数的ADC采集电路的采集精度，同时改进电路部分成本较低，具有较好的性价比，适合推广应用的产品中。

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是根据本实用新型实施例的一种提高热电阻测量精度的电路的整体框图；

图2是根据本实用新型实施例的一种提高热电阻测量精度的电路中信号调理电路结构图；

图3是根据本实用新型实施例的一种提高热电阻测量精度的电路中ADC采样电路结构图；

图4是根据本实用新型实施例的一种提高热电阻测量精度的电路中MCU处理器电路结构图；

图5是根据本实用新型实施例的一种提高热电阻测量精度的电路中热电阻激励电路参数选择电路结构图；

图6是根据本实用新型实施例的一种提高热电阻测量精度的电路中热电阻激励电路结构图。

图中：

1、热电阻；2、信号调理电路；3、ADC采样电路；4、MCU处理器电路；5、热电阻激励电路参数选择电路；6、热电阻激励电路。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图，这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本实用新型的实施例，提供了一种提高热电阻测量精度的电路。

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明，如图1所示，根据本实用新型实施例的提高热电阻测量精度的电路，包括热电阻1、信号调理电路2、ADC采样电路3、MCU处理器电路4、热电阻激励电路参数选择电路5、热电阻激励电路6；

热电阻1的第一端与信号调理电路2的一端连接，信号调理电路2的另一端与ADC采样电路3的一端连接，ADC采样电路3的另一端与MCU处理器电路4的第一端连接，MCU处理器电路4的第二端与热电阻激励电路参数选择电路5的一端连接，热电阻激励电路参数选择电路5的另一端与热电阻激励电路6一端连接，热电阻激励电路6的另一端与热电阻1的第二端连接。

热电阻激励电路产生一个恒流源Ia，当Ia流过热电阻R时，会在热电阻上产生一个电压Ua，Ua接入信号调理电路，然后通过ADC采样电路转换数字量，最后通过MCU处理器电路进行计算得到热电阻的阻值(R＝Ua/Ia，其中Ia为已知固定值电流)，进而通过查表或计算的方式换算成现场温度。

因此热电阻的采集精度与激励电流的大小成正比，在电阻值相同的情况下，当激励电流越大时，所产生的供ADC采样的电压值越高，进而对ADC的精度和放大倍数要求会降低，然而热电阻的激励电流不能太大，因为热电阻的外部激励电流会在热电阻中产生自热，从而引起测量误差。因此，恒流源的输出电流不能过大，尽量使用较小的激励电流，使热电阻自热不至于影响测量的精度。一般情况下，热电阻在空气中的热耗散因素，温度误差可用下式计算：

需要保证热电阻的自热温度<0.1℃，因此有当采用单一恒流源时，按照电阻最大值4000欧姆进行计算，如下公式：

计算得恒流源的输出电流必须小于0.387mA。

如果可以采用变化的恒流源，则针对Cu10、PT10热电阻，其最大电阻为40欧姆，根据公式2进行计算，恒流源的输出电流要小于3.87mA，如果在小量程时选择3.87mA的恒流输出同时叠加ADC的信号放大(通常8倍左右)，与单一恒流源可提升对信号放大作用到80倍左右，基本达到了国外高精度ADC的稳定信号放大水平(32、64倍水平)。

基于上述计算，可以通过根据热电阻量程大小来选择固定的激励恒流源的大小，对于大量程热电阻选择使用小设定值恒流源，而对于小量程选择使用大设定值恒流源，从而实现了ADC信号放大倍数不足的情况下，小量程热电阻也可以达到较高的电阻采样精度的设计要求。

在一个实施例中，如图2所示，信号调理电路2包括：共模电感L2、磁珠、电阻器、电容、接地线；

共模电感L2的第一端与传感器端子SENSOR1的正极连接，共模电感L2的第二端与磁珠FB4一端连接，共模电感L2的第三端与磁珠FB3一端连接，共模电感L2的第四端与传感器端子SENSOR1的负极连接(SENSOR1+、SENSOR1-为传感器接线端子，现场热电阻通过电缆接入到这两个端子上，AIN1+、AIN1-为SENSOR1+、SENSOR1-上的电压信号经过滤波后的信号，其送入到ADC芯片的差分输入管脚上)，磁珠FB4的另一端与电阻器R6一端连接，且磁珠FB3的另一端与电阻器R5连接；

电阻器R6的另一端与电容C15、端子AIN1正极、电容C14连接及电阻器R5的另一端与电容C14、端子AIN1负极及电容C13连接，电容C13与电容C15的另一端均与接地线连接；

为采用双通道运放及精密电阻R1、R2、R3、R4、Ris实现恒流输出的典型电路，其中R1、R2、R3、R4电阻值相同，计算可得输出电流IOUT＝REF2.5/Ris，因此在REF保持不变的情况下，可以通过调整Ris的大小来调整恒流源电流大小。

在一个实施例中，如图3所示，ADC采样电路3包括：ADC芯片、电容器、电阻器；

ADC芯片的第一端与电阻器R252连接，ADC芯片的第三端与电阻器R252另一端及接地线连接，ADC芯片的第四端与端子AIN1正极连接，ADC芯片的第五端与端子AIN1负极连接，ADC芯片的第六端与电容C154、电容C155及接地线连接，ADC芯片的第七端与电容C154、电容C155及接地线连接，ADC芯片的第八端与正五伏电源、电容C154另一端及电容C155另一端连接，ADC芯片的第九端与电阻器R250一端连接，ADC芯片的第十端与电阻器R248一端连接，电阻器R248的另一端端子L2C_CLK连接，电阻器R250的另一端与端子L2C_DAT连接，且在附图6的基础上在Ris增加一个并联关系的精密电阻Ris1并通过单刀双掷电磁继电器K来实现切换，K的输入控制信号来自MCU处理器。

在一个实施例中，如图4所示，MCU处理器电路4包括：MCU处理器、电容、电阻器、磁珠、恒流源大小选择GPIO及驱动(恒流源大小选择GPIO及驱动，是MCU的GPIO管脚通过SGM7SZ125YN5G/TR，单路总线驱动器，其可以输出较大的电流，以驱动继电器线圈，MCU右侧为晶体电路为MCU提供时钟其它为电源滤波电容)；

MCU处理器依次连接有电阻器R24、电阻器R66、电阻器R67、正3.3V电源、接地线、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C7、电容C8、电容C9、电容C11、电容C1、电容C55、电容C6、电容C16、磁珠FB1、磁珠FB2、及恒流源大小选择GPIO及驱动；

电阻器R66的另一端与接口I2C_CLK连接，电阻器R67的另一端与接口I2C_DAT连接，磁珠FB1另一端连接有正3.3伏电源及电容C10一端，磁珠FB2的另一端连接有接地线及电容C10另一端，电容C1的另一端连接有接地线，电容C16的另一端连接有接地线，电阻器R24的另一端与接口CPU_NRST连接；

恒流源大小选择GPIO及驱动的第一端及第三顿与接地线连接，恒流源大小选择GPIO及驱动的第二端与MCU处理器连接，恒流源大小选择GPIO及驱动的第四端与接口IS_SELECT连接，恒流源大小选择GPIO及驱动的第五端与相同正五伏电源。

ADC芯片选用圣邦微SGM58200，ADC采用1对差分模拟量输入的方式采集通道信号，由于需外接2.5V基准源，因此将基准源输出的信号F_+2V5_REF接至ADC芯片的AIN3引脚(外部基准源输入引脚)，ADDR引脚表示I2C地址，该引脚可接至GND、VDD、SDA或SCL表示不同的地址，该设计中将SDA接至GND引脚，表示I2C地址为1001000。

在一个实施例中，如图5所示，热电阻激励电路参数选择电路5包括：精密电阻、单刀双掷电磁继电器；

精密电阻Ris的一端与单刀双掷电磁继电器K一端连接，精密电阻Ris1的一端与单刀双掷电磁继电器K一端连接，且单刀双掷电磁继电器K(K是一个单刀双掷的电磁继电器，Ris、Pis1分别连接至K的触点侧的两个触点、热电阻连接到K的触点侧的公共触点，当K的线圈的参数选择信号为高电平时，Ris1连接的触点与公共触点连通，流过热电阻的电流由Ris1决定，当K的线圈的参数选择信号为低电平时，Ris连接的触点与公共触点连通，流过热电阻的电流由Ris决定)的另一端与接地线连接。

通道调理电路由无源滤波电路组成，首先经过共模电感和磁珠对高频信号进行抑制，滤波电路为RFI滤波器，R、C参数的选取兼顾滤波和通道切换时间，滤波效果越好，通道切换时间需要的时间越长。滤波网络由R4、R5、C13、C14、C15组成，其中RC滤波时间常数为0.332ms。

在一个实施例中，如图6所示，热电阻激励电路6包括：集成运算放大器、电阻器、精密电阻、热电阻；

集成运算放大器一的负极与电阻器R1及R2的一端连接，集成运算放大器一的正极与电阻器R3及R4的一端连接，集成运算放大器一的一端与电阻器R2的另一端及精密电阻Ris的一端连接，电阻器R1的另一端连接有接地线，R3的另一端连接有接口PEF2.5V，R4的另一端与集成运算放大器二的一端连接，精密电阻Ris的另一端与热电阻连接，且热电阻的另一端连接有接地线，集成运算放大器二的负极与R4的一端连接，集成运算放大器二的正极与Ris及热电阻连接。

MCU处理器选择华大半导体HC32F460KETA型号，MCU处理器根据热电阻的类型通过GPIO(PC14)输出高电平或低电平来选择是由Ris1还是Ris产生的电流，当MCU采集的热电阻为大量程时，GPIO输出低电平选择Ris产生的小电流恒流源，当MCU采集的热电阻为小量程时，GPIO输出高电平选择Ris1产生的大电流恒流源。而MCU则根据选择不同，从而选择不同的电阻计算公式，图4中的U6是增加输出电流，其可以提供24mA的输出电流，以驱动图5中的继电器线圈。

为了方便理解本实用新型的上述技术方案，以下就本实用新型在实际过程中的工作原理或者操作方式进行详细说明。

在实际应用时，PLC热电阻采集模块，改进电路包括：热电阻激励电路热电阻激励电路用于产生将热电阻的电阻信号转换为电压信号的恒流源，热电阻激励电路参数选择电路接收MCU处理器电路用发出的信号，并根据信号来选择热电阻激励电路的参数(即恒流源电流的大小)；信号调理电路的输入端接收热电阻通过激励电路产生的电压信号，完成滤波处理后，通过输出端与ADC采样电路相连，ADC采样电路将信号调理电路输出的电压信号转换为数字量信号，MCU处理器电路负责给热电阻激励电路参数选择电路发出参数选择信号，同时负责接收ADC的转换的数字量信号。

综上所述，借助于本实用新型的上述技术方案，通过在热电阻激励电路中增加热电阻激励电路的参数，选择合适的电路的方式，当热电阻类型为较小电阻时，采用提高激励电流的方式来输出给调理电路的电压，从而保证热电阻测量电路在采集不同类型热电阻时的测量精度，无需通过更高要求的信号调理电路、高性能ADC来获得高精度的热电阻采样。

此外，通过MCU处理器电路、热电阻激励电路参数选择电路配合选择选择热电阻激励电路的适合参数，使得采用常用的信号调理电路、ADC采样电路可以达到类似采用国外高精度、高放大倍数的ADC采集电路的采集精度，同时改进电路部分成本较低，具有较好的性价比，适合推广应用的产品中。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种提高热电阻测量精度的电路，其特征在于，包括：热电阻(1)、信号调理电路(2)、ADC采样电路(3)、MCU处理器电路(4)、热电阻激励电路参数选择电路(5)、热电阻激励电路(6)；

所述热电阻(1)的第一端与所述信号调理电路(2)的一端连接，所述信号调理电路(2)的另一端与所述ADC采样电路(3)的一端连接，所述ADC采样电路(3)的另一端与所述MCU处理器电路(4)的第一端连接，所述MCU处理器电路(4)的第二端与所述热电阻激励电路参数选择电路(5)的一端连接，所述热电阻激励电路参数选择电路(5)的另一端与所述热电阻激励电路(6)一端连接，所述热电阻激励电路(6)的另一端与所述热电阻(1)的第二端连接。

2.根据权利要求1所述的一种提高热电阻测量精度的电路，其特征在于，所述信号调理电路(2)包括：共模电感L2、磁珠、电阻器、电容、接地线；

所述共模电感L2的第一端与传感器端子SENSOR1的正极连接，所述共模电感L2的第二端与磁珠FB4一端连接，所述共模电感L2的第三端与磁珠FB3一端连接，所述共模电感L2的第四端与传感器端子SENSOR1的负极连接；

所述磁珠FB4的另一端与电阻器R6一端连接，且所述磁珠FB3的另一端与电阻器R5连接；

所述电阻器R6的另一端与电容C15、端子AIN1正极、电容C14连接及所述电阻器R5的另一端与电容C14、端子AIN1负极及电容C13连接；

所述电容C13与所述电容C15的另一端均与所述接地线连接。

3.根据权利要求2所述的一种提高热电阻测量精度的电路，其特征在于，所述ADC采样电路(3)包括：ADC芯片、电容器、电阻器；

所述ADC芯片的第一端与电阻器R252连接，所述ADC芯片的第三端与电阻器R252另一端及接地线连接，所述ADC芯片的第四端与端子AIN1正极连接，所述ADC芯片的第五端与端子AIN1负极连接；

所述ADC芯片的第六端与电容C154、电容C155及接地线连接，所述ADC芯片的第七端与电容C154、电容C155及接地线连接，所述ADC芯片的第八端与正五伏电源、所述电容C154另一端及所述电容C155另一端连接，所述ADC芯片的第九端与电阻器R250一端连接，所述ADC芯片的第十端与电阻器R248一端连接；

所述电阻器R248的另一端端子L2C_CLK连接，所述电阻器R250的另一端与端子L2C_DAT连接。

4.根据权利要求3所述的一种提高热电阻测量精度的电路，其特征在于，所述MCU处理器电路(4)包括：MCU处理器、电容、电阻器、磁珠、恒流源大小选择GPIO及驱动；

所述MCU处理器依次连接有电阻器R24、电阻器R66、电阻器R67、正3.3V电源、接地线、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C7、电容C8、电容C9、电容C11、电容C1、电容C55、电容C6、电容C16、磁珠FB1、磁珠FB2、及恒流源大小选择GPIO及驱动；

所述电阻器R66的另一端与接口I2C_CLK连接，所述电阻器R67的另一端与接口I2C_DAT连接，所述磁珠FB1另一端连接有正3.3伏电源及所述电容C10一端，所述磁珠FB2的另一端连接有接地线及所述电容C10另一端，所述电容C1的另一端连接有接地线，所述电容C16的另一端连接有接地线，所述电阻器R24的另一端与接口CPU_NRST连接。

5.根据权利要求4所述的一种提高热电阻测量精度的电路，其特征在于，所述热电阻激励电路参数选择电路(5)包括：精密电阻、单刀双掷电磁继电器；

精密电阻Ris的一端与单刀双掷电磁继电器K一端连接，精密电阻Ris1的一端与单刀双掷电磁继电器K一端连接，且所述单刀双掷电磁继电器K的另一端与接地线连接。

6.根据权利要求5所述的一种提高热电阻测量精度的电路，其特征在于，所述热电阻激励电路(6)包括：集成运算放大器、电阻器、精密电阻、热电阻；

集成运算放大器一的负极与电阻器R1及R2的一端连接，集成运算放大器一的正极与电阻器R3及R4的一端连接，集成运算放大器一的一端与所述电阻器R2的另一端及精密电阻Ris的一端连接；

所述电阻器R1的另一端连接有接地线，所述R3的另一端连接有接口PEF2.5V，所述R4的另一端与集成运算放大器二的一端连接，所述精密电阻Ris的另一端与所述热电阻连接，且所述热电阻的另一端连接有接地线；

所述集成运算放大器二的负极与所述R4的一端连接，所述集成运算放大器二的正极与所述Ris及所述热电阻连接。

7.根据权利要求6所述的一种提高热电阻测量精度的电路，其特征在于，恒流源大小选择GPIO及驱动的第一端及第三顿与接地线连接，所述恒流源大小选择GPIO及驱动的第二端与所述MCU处理器连接，所述恒流源大小选择GPIO及驱动的第四端与接口IS_SELECT连接，所述恒流源大小选择GPIO及驱动的第五端与相同正五伏电源。

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