CN101109662B

CN101109662B - 一种热电阻温度测量电路

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Publication number: CN101109662B
Application number: CN2006100289996A
Authority: CN
Inventors: 王长林
Original assignee: Mettler Toledo Instruments Shanghai Co Ltd
Current assignee: Mettler Toledo Instruments Shanghai Co Ltd
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2006-07-17
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2026-07-17
Also published as: ATE544057T1; JP2009544029A; CN101109662A; US7775711B2; US20090122834A1; EP2041538A1; EP2041538B1; JP5081239B2; WO2008009676A1; CN101467013A

Abstract

本发明公开一种热电阻温度测量电路，包括基准电压源、三线制热电阻、引线电压降放大器、基本运算放大器、补偿电阻R₄、R₇、热电阻激励电压设定电阻R₅、R₆、以及输出灵敏度设定电阻R₃，量程设定电阻R₁，R₂。通过合理选择补偿电阻R₄、R₇的阻值，在连接电缆电阻相等时，该电路输出电压Vt与Rt有确定的单调的函数关系，与连接电缆线的导线电阻无关。Vt经过A/D变换，由软件算出热电阻的阻值Rt，再根据Rt与温度t之间的已知函数关系算出温度值，即为测量结果。因此，对全量程范围内的任何Rt阻值，以及各种电缆长度的条件下，都能完全补偿电缆线的影响。该电路结构简单，还具有量程范围大的优点。当配以较高精度的A/D时，在没有跳线的情况下，可以用同一个电路测量PT100，PT1000，NTC30等不同类型的热电阻。

Description

一种热电阻温度测量电路

技术领域

本发明涉及一种热电阻温度测量电路。

背景技术

热电阻是一种常用的温度传感器，如PT10，PT100，PT1000，NTC30，NTC22等，将热电阻连接在一测量电路中，测量电路输出与热电阻阻值呈单调关系的电压，即可测量温度。然而当传感器安装位置与测量仪表之间距离较长时，必须使用较长连接电缆，而连接电缆的导线电阻会引起较大的测量误差，尤其是PT10，PT100和PT1000。消除连线电阻影响的方法可以采用三线制接线法，但必须同时采用合适的测量电路。一般的做法是采用单恒流源或双恒流源法，例如中国专利号ZL03263202.9公开的一种热电阻温度测量电路，即采用单恒流源法，但这些做法大多电路较复杂，量程范围相对较小。有些简单的电路只能在个别测量点上对电缆线进行补偿，不能对全量程任何测量点进行完全的补偿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单的热电阻温度测量电路，对全量程内任何被测电阻值都能完全补偿长电缆的影响。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种热电阻温度测量电路，包括用于提供基准电压的基准电压源、用于测量温度的三线制热电阻、增益为G的引线电压降放大器、基本运算放大器、补偿电阻R₄、R₇、热电阻激励电压设定电阻R₅、R₆、以及输出灵敏度设定电阻R₃；

所述引线电压降放大器的增益G大于2；

所述三线制热电阻包括一正端子、一负端子和一公共端子，正端子通过一第一导线与基本运算放大器的反相端连接，负端子通过一第二导线与引线电压降放大器的输入端连接，公共端子通过一第三导线接地；

所述补偿电阻R₄一端与基本运算放大器的反相端连接，另一端与引线电压降放大器的输出端连接，补偿电阻R₇一端与基本运算放大器的同相端连接，另一端与引线电压降放大器的输出端连接；

所述热电阻激励电压设定电阻R₅一端与基准电压源连接，另一端与基本运算放大器的同相端连接，热电阻激励电压设定电阻R₆一端与基本运算放大器的同相端连接，另一端接地；

所述输出灵敏度设定电阻R₃跨接在基本运算放大器的输出端与反相端之间；

所述补偿电阻R₄、R₇的阻值设定为：

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) R_{3}

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) \frac{1}{\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}}} .

所述的热电阻温度测量电路，其中，所述引线电压降放大器可包括一运算放大器以及电阻R₈、R₉，运算放大器的同相端作为输入端与三线制热电阻的负端子连接，电阻R₈连接在基本运算放大器的输出端与反相端之间，电阻R₉一端与基本运算放大器的反相端连接，另一端接地。

所述的热电阻温度测量电路，可包括量程设定电阻R₁，电阻R₁一端与所述基准电压源连接，另一端与基本运算放大器的反相端连接。

所述的热电阻温度测量电路，可包括量程设定电阻R₂，电阻R₂一端与基本运算放大器的反相端连接，另一端通过所述第一导线与三线制热电阻的正端子连接。

所述的热电阻温度测量电路，可同时包括上述的量程设定电阻R₁、R₂。

所述的热电阻温度测量电路，其中，所述第一、第二和第三导线使用相同材料并具有相同长度，即电阻相同。

所述的热电阻温度测量电路，其中，当包含电阻R₁时，所述补偿电阻R₄、R₇的阻值设定公式替换为：

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) \frac{1}{\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{3}}}

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) \frac{1}{\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}}}

本发明的热电阻温度测量电路，通过合理选择电路参数，尤其是补偿电阻的参数，使输出电压Vt与热电阻的阻值Rt存在确定的单调关系，并且与连接电缆阻值无关。Vt经过A/D变换，由软件算出热电阻的阻值Rt，再根据Rt与温度t之间的已知函数关系算出温度值，即为测量结果。因此，对全量程范围内的任何Rt阻值，以及各种电缆长度的条件下，都能完全补偿电缆线的影响。该电路结构简单，还具有量程范围大的优点。当配以较高精度的A/D时，在没有跳线的情况下，可以用同一个电路测量PT100，PT1000，NTC30等不同类型的热电阻，只要在测量范围内它们的热电阻值互不重叠，软件即可以自动识别热电阻类型，并测出精确的温度值。该电路尤其适合三线制热电阻RTD温度传感器，同时也能适应二线制温度传感器的情况，虽然此时不能补偿导线电阻的影响。

附图说明

以下结合附图和具体实施例说明本发明的特征和优点，其中：

图1是本发明热电阻温度测量电路第一实施例的电原理图；

图2是本发明热电阻温度测量电路的引线电压降放大器一个实施例的电原理图；

图3是本发明热电阻温度测量电路第二实施例的电原理图；

图4是本发明热电阻温度测量电路第三实施例的电原理图；

图5是本发明热电阻温度测量电路第四实施例的电原理图。

具体实施方式

图1为本发明热电阻温度测量电路第一实施例的电原理图。请参阅图1，该测量电路可包括用于提供基准电压Vr的基准电压源1、用于测量温度的三线制热电阻RTD、增益为G的引线电压降放大器2、基本运算放大器OP1、量程设定电阻R₁、R₂、补偿电阻R₄、R₇、热电阻激励电压设定电阻R₅、R₆、以及输出灵敏度设定电阻R₃。测量电路的输出电压Vt经过A/D转换器3的A/D变换，再输入计算单元4算出温度值。

R_W1，R_W2，和R_W3代表用于连接三线制热电阻和测量电路的第一、第二、第三导线的电阻，由于它们是由相同材料，同等长度的电线组成的，因此，它们的阻值认为是相同的，即R_W1＝R_W2＝R_W3。实际上，在本电路中只要R_W1＝R_W3即可。

基本运算放大器OP1具有一反相端a、一同相端b和一输出端，输出端的输出电压Vt为测量电路的输出电压。基本运算放大器OP1的输入偏置电流极小，可以忽略不计。

引线电压降放大器2具有一输入端w和一输出端c，其增益G必须大于2，通常取G＞10，其输入偏置电流极小，可以忽略不计。图2示出引线电压降放大器2的一个实施例的电原理图，引线电压降放大器2包括一运算放大器OP2以及电阻R₈、R₉，运算放大器OP2的同相端作为输入端w与三线制热电阻的负端子连接，电阻R₈连接在运算放大器OP2的输出端与反相端之间，电阻R₉一端与运算放大器OP2的反相端连接，另一端接地。其增益为

G = (\frac{R_{8}}{R_{9}} + 1)

三线制热电阻RTD的电阻值为Rt，其阻值与待测温度之间为已知的单调函数关系。三线制热电阻RTD包括一正端子d、一负端子e和一公共端子f，正端子d通过第一导线R_W1与基本运算放大器OP1的反相端a连接，负端子e通过第二导线R_W2与引线电压降放大器2的输入端w连接，公共端子f通过第三导线R_W3接地。

量程设定电阻R₁、R₂用于设定测量电路的量程。电阻R₁的选择使三线制热电阻RTD的阻值Rt最大时，测量电路输出电压Vt仍然在A/D转换器3的输入电压范围之内；如果三线制热电阻RTD的阻值Rt的最大值合适，电阻R₁也可以省略。这时在以下的论述及公式中令电阻R₁为无穷大，或1/R₁＝0即可。电阻R₂的选择使三线制热电阻RTD的阻值Rt最小时，输出电压Vt仍然在A/D转换器3的输入电压范围之内。如果三线制热电阻RTD的阻值Rt的最小值合适，电阻R₂也可以省略。这时在以下的论述及公式中令R₂＝0即可。

热电阻激励电压设定电阻R₅、R₆设定热电阻RTD的激励电压，电阻R₅一端与基准电压源1连接，另一端与基本运算放大器OP1的同相端b连接；电阻R₆一端与基本运算放大器OP1的同相端b连接，另一端接地。

输出灵敏度设定电阻R₃跨接在基本运算放大器OP1的输出端与反相端之间。

补偿电阻R₄、R₇对电路进行补偿，使输出电压Vt与热电阻RTD的阻值Rt存在确定的单调函数关系，而不受导线电阻的影响。电阻R₄一端与基本运算放大器OP1的反相端a连接，另一端与引线电压降放大器2的输出端c连接；电阻R₇一端与基本运算放大器OP1的同相端b连接，另一端与引线电压降放大器2的输出端c连接。

补偿电阻R₄、R₇根据完全补偿的条件进行选择。对全量程范围内的所有热电阻RTD的阻值Rt，以及第一、第二、第三导线的任意连接线长度，如果Rw1＝Rw3，完全补偿的条件是：

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) R_{13},

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) R_{56};

其中：

R_{13} = \frac{1}{\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{3}}},

R_{56} = \frac{1}{\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}}}

以下通过电路分析和计算说明如何得到这一结果。

补偿电阻R₄、R₇的选择的基本构思如下：

对于测量范围内的任何阻值Rt，由于R_W1＝R_W3，且流过导线R_W1和导线R_W3的电流认为是相等的(流过导线R_W2的电流可以忽略)，导线R_W1和导线R_W3上的电压降Vw认为总是相同的。即当连接电缆种类或长度改变时，它们同时变化。通过引线电压降放大器2的增益G以及补偿电阻R₇的选择，可使b点的电压V_b相比R_W1＝R_W3＝0时b点的电压V_b0也增加2Vw。由于运放OP1有反相端电压Va等于同相端电压Vb的基本特征，热电阻RTD上的电压降会保持不变，流过热电阻RTD的电流不随阻值R_W1、R_W3的变化而变化。这样能保持基本运放OP1对热电阻RTD的阻值Rt的灵敏度不随阻值R_W1、R_W3的变化而变化。但是由于电压Vb的变化，以及电压Va的变化，如果没有其它措施，运放OP1的输出仍然会变化。另一只补偿电阻R₄的选择正好使这种影响完全能消除。该电路中合理选择二只补偿电阻R₄和R₇，输出电压Vt与热电阻RTD的阻值Rt存在确定的单调的函数关系，而且与R_W1，R_W2，和R_W3无关。

通过电路分析可以得到：

引线电压降放大器2的输出端c的电压V_c＝G*V_w

假设

则考虑b点的电流平衡：

\frac{V_{r} - V_{b}}{R_{5}} = \frac{V_{b}}{R_{6}} + \frac{V_{b} - V_{c}}{R_{7}}

V_{b} = (\frac{V_{r}}{R_{5}} + \frac{V_{c}}{R_{7}}) R_{567} = \frac{R_{567}}{R_{5}} V_{r} + (\frac{R_{567}}{R_{7}} G) * V_{w}

设

它是R_W1＝R_W3＝0时b点的电压。

欲使V_b＝V_b0+2V_w，可使

则

\frac{G}{2} = \frac{R_{7}}{R_{567}} = R_{7} * (\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}} + \frac{1}{R_{7}}) = R_{7} * (\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}}) + 1

或

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) \frac{1}{\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}}} = (\frac{G}{2} - 1) R_{56}

因为R₇必须大于0，则推知G＞2。

则V_b＝V_b0+2V_w，因为运放的基本特点有Va＝Vb，电阻R₂和Rt上的电压降之和会保持不变，流过电阻Rt和R2的电流将不随R_W1和R_W3的阻值变化而变化。

再考虑a点的电流平衡：

\frac{V_{t} - V_{b}}{R_{3}} = \frac{V_{b} - V_{r}}{R_{1}} + \frac{V_{b} - V_{c}}{R_{4}} + \frac{V_{b} - 2 V_{w}}{R_{t} + R_{2}}

\frac{V_{t}}{R_{3}} = (\frac{V_{b 0} - V_{r}}{R_{1}} + \frac{V_{b 0}}{R_{3}} + \frac{V_{b 0}}{R_{4}}) + (\frac{2 V_{w}}{R_{1}} + \frac{2 V_{w}}{R_{3}} + \frac{2 V_{w} - G V_{w}}{R_{4}}) + \frac{V_{bo}}{R_{t} + R_{2}}

使

即

则Vt将与Vw无关。

假设：

R_{134} = \frac{1}{\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{3}} + \frac{1}{R_{4}}},

R_{567} = \frac{1}{\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}} + \frac{1}{R_{7}}}

再设，

可以得到：

V_{t} = A + \frac{B}{R_{t} + R_{2}}

可以看到，A，B，R₂，Vt都与R_W1、R_W2和R_W3无关。在测量时，对Vt进行A/D变换，得到Vt，由计算单元4的软件用公式

R_{t} = \frac{B}{V_{t} - A} - R_{2}

算出热电阻RTD的阻值Rt，再根据t与Rt的已知函数关系，求出温度t。

如果A/D变换器3的参考电压Ref与基准电压Vr相同或与它成一定的比例(同源)，则该电路对基准电压Vr的变化也不敏感，因此可以进一步保证高精度。

从Vt的计算公式也可以看出，量程设定电阻R₁和R₂的作用，当热电阻RTD的阻值Rt较大时，可取较大的R₁值，使Vt不至于太小，仍然在A/D转换器3的输入电压范围之内；当热电阻RTD的阻值Rt较小时，可取较大的R₂值使Vt不至于太大，仍然在A/D转换器3的输入电压范围之内。

如前所述，如果三线制热电阻RTD的阻值Rt的最小值合适，则通常电阻R2可以省略，同样，如果Rt的最大值合适，电阻R₁也可以省略。

在图3所示的测量电路的第二实施例中，与图1所示第一实施例的不同之处是省略量程设定电阻R₂(R₂＝0)，上述补偿电阻R₄、R₇的选择不变。

在图4所示的测量电路的第三实施例中，与图1所示第一实施例的不同之处是省略量程设定电阻R₁(1/R₁＝0)；在图5所示的测量电路的第四实施例中，与图1所示第一实施例的不同之处是省略量程设定电阻R₁、R₂(1/R₁＝0，R₂＝0)；在这两个实施例中，上述补偿电阻R₄、R₇的选择相应改为

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) R_{3}

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) \frac{1}{\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}}} = (\frac{G}{2} - 1) R_{56}

而

V_{t} = A + \frac{B}{R_{t}}

相应地，

同样采用软件计算求出阻值Rt和温度t。

在本发明第一和第三实施例中，电阻R₂存在的情况下，如果将电阻R₂看为热电阻RTD的一部分，则激励电压是恒定不变的：

其中V_2t是电阻R₂和Rt上的电压降之和。

在本发明第二和第四实施例中，电阻R₂省略的情况下，V_2t即为Rt上的电压降。

无论如何，本电路本质上是一种恒压源激励电路。由于不是恒流源激励，虽然输出电压Vt与阻值Rt不是线性关系，但是电压Vt经过A/D变换，很容易用软件算得精确的阻值Rt，以及精确的温度t。与恒流源激励法比较，该电路结构简单，还有量程范围大的优点。当配以较高精度的A/D时，并利用量程设定电阻R₁和R₂的调节作用，能很好的用本测量电路测量各类型号热电阻，例如PT100、PT1000和NTC22(或NTC30)，在没有任何内部跳线的情况下，可以用同一个电路测量PT100，PT1000，NTC30等不同类型的热电阻，其量程范围之大是用一般的单恒流源法或双恒流源法无法相比的。只要在测量范围内各类热电阻的热电阻值互不重叠，计算单元4中的软件即可以自动识别热电阻类型，并测出精确的温度值。通常NTC22和NTC30不会同时采用，因为它们的热电阻值大部分是重叠的。

有些RTD温度传感器如NTC30，其阻值Rt较大；又如有些PT1000温度传感器，其连接导线较短；或者测量精度要求不太高时，可以认为导线电阻相对阻值Rt较小，则传感器和连接电缆只接成二线制，不再接成三线制，即由R_w2代表的导线不存在。这时只要将引线电压降放大电路的输入端的接线端子w接地(gnd)，虽然此时电路不能对引线电阻R_w1，R_w3进行补偿(但此时不重要)，该电路仍然能很好地工作。因此该电路尤其适合三线制热电阻RTD温度传感器，同时也能适应二线制温度传感器的情况。

以上的实施例说明仅为本发明的较佳实施例说明，本领域技术人员可依据本发明的上述实施例说明而作出其它种种等效的替换及修改。然而这些依据本发明实施例所作的种种等效替换及修改，属于本发明的发明精神及由权利要求所界定的专利范围内。

Claims

1.一种热电阻温度测量电路，其特征在于，包括用于提供基准电压的基准电压源、用于测量温度的三线制热电阻、增益为G的引线电压降放大器、第一运算放大器、补偿电阻R₄、R₇、热电阻激励电压设定电阻R₅、R₆、以及输出灵敏度设定电阻R₃；所述引线电压降放大器的增益G大于2；

所述三线制热电阻包括一正端子、一负端子和一公共端子，正端子通过一第一导线与第一运算放大器的反相端连接，负端子通过一第二导线与引线电压降放大器的输入端连接，公共端子通过一第三导线接地；

所述补偿电阻R₄一端与第一运算放大器的反相端连接，另一端与引线电压降放大器的输出端连接，补偿电阻R₇一端与第一运算放大器的同相端连接，另一端与引线电压降放大器的输出端连接；

所述热电阻激励电压设定电阻R₅一端与基准电压源连接，另一端与第一运算放大器的同相端连接，热电阻激励电压设定电阻R₆一端与第一运算放大器的同相端连接，另一端接地；

所述输出灵敏度设定电阻R₃跨接在第一运算放大器的输出端与反相端之间；

所述补偿电阻R₄、R₇的阻值设定为：

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) R_{3}

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) \frac{1}{\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}}} .

2.如权利要求1所述的热电阻温度测量电路，其特征在于，所述引线电压降放大器包括一第二运算放大器以及电阻R₈、R₉，第二运算放大器的同相端作为输入端与三线制热电阻的负端子连接，电阻R₈连接在第二运算放大器的输出端与反相端之间，电阻R₉一端与第二运算放大器的反相端连接，另一端接地。

3.如权利要求1所述的热电阻温度测量电路，其特征在于，还包括量程设定电阻R₁，电阻R₁一端与所述基准电压源连接，另一端与第一运算放大器的反相端连接，其中所述补偿电阻R₄、R₇的阻值的设定公式替换为：

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) \frac{1}{\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{3}}}

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) \frac{1}{\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}}} .

4.如权利要求1或3所述的热电阻温度测量电路，其特征在于，还包括量程设定电阻R₂，电阻R₂一端与第一运算放大器的反相端连接，另一端通过所述第一导线与三线制热电阻的正端子连接。

5.如权利要求1所述的热电阻温度测量电路，其特征在于，所述第一、第二和第三导线使用相同材料并具有相同长度。