CN204988537U - 温度变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种温度变送器，包括：恒流源电路；PT100铂电阻传感器，连接至恒流源电路的输出端；差分电路，连接至PT100铂电阻传感器的输出端；信号处理和滤波电路，连接在差分电路的输出端；恒流源电路包括：恒压源；第一运算放大器，恒压源连接至第一运算放大器的同相输入端；负反馈电路，连接至第一运算放大器的反相输入端，负反馈电路接入第一运算放大器的反相输入端的电压跟随PT100铂电阻传感器的阻值变化而变化；开关元件，连接在第一运算放大器的输出端和恒流源电路的输出端之间，并由负反馈电路控制通断。根据本实用新型的温度变送器，能够解决现有技术中温度变送器受外部干扰影响较大，电路稳定性差的问题。

Description

温度变送器

技术领域

本实用新型涉及温度检测技术领域，具体而言，涉及一种温度变送器。

背景技术

目前市场上的PT100温度变送器主要有两种实现方式：一是采用电阻分压原理搭建电路，这种温度变送器受外部干扰影响较大，抗干扰能力较差，使用过程中会出现采集温度异常波动问题；二是通过稳压芯片提供基准电压，再经信号调制得出V/I信号，虽然其抗干扰能力不错，但成本较高，容易造成资源浪费。

实用新型内容

本实用新型实施例中提供一种温度变送器，以解决现有技术中温度变送器受外部干扰影响较大，电路稳定性差的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供一种温度变送器，包括：恒流源电路；PT100铂电阻传感器，连接至恒流源电路的输出端；差分电路，连接至PT100铂电阻传感器的输出端；信号处理和滤波电路，连接在差分电路的输出端；恒流源电路包括：恒压源；第一运算放大器，恒压源连接至第一运算放大器的同相输入端；负反馈电路，连接至第一运算放大器的反相输入端，负反馈电路接入第一运算放大器的反相输入端的电压跟随PT100铂电阻传感器的阻值变化而变化；开关元件，连接在第一运算放大器的输出端和恒流源电路的输出端之间，并由负反馈电路控制通断。

作为优选，负反馈电路包括第一电阻，PT100铂电阻传感器的第二接线端子与第一电阻共同连接至第一运算放大器的反相输入端，PT100铂电阻传感器的第一接线端子连接至开关元件的输出端。

作为优选，开关元件为三极管，三极管的基极连接至第一运算放大器的输出端，三极管的集电极连接至驱动电源，三极管的发射极连接至PT100铂电阻传感器的第一接线端子。

作为优选，第一运算放大器的反相输入端连接有第一电压跟随器，开关元件的输出端连接有第二电压跟随器。

作为优选，第一电压跟随器的输入端连接有第一滤波电路，第二电压跟随器的输入端连接有第二滤波电路。

作为优选，恒压源的输出端连接有第三滤波电路。

作为优选，差分电路包括：第二运算放大器，第二运算放大器的同相输入端连接至第一电压跟随器的输出端；第三运算放大器，第三运算放大器的同相输入端连接至第二电压跟随器的输出端；第四运算放大器，第二运算放大器的输出端连接至第四运算放大器的同相输入端，第三运算放大器的输出端连接至第四运算放大器的反相输入端。

作为优选，第二运算放大器的反相输入端连接至第三运算放大器的反相输入端，第二运算放大器的反相输入端和第三运算放大器的反相输入端之间串联有第二电阻。

作为优选，差分电路还包括第三电压跟随器，连接至第四运算放大器的输出端。

作为优选，第三电压跟随器的输入端设置有第四滤波器。

作为优选，恒压源为TL431。

应用本实用新型的技术方案，温度变送器包括：恒流源电路；PT100铂电阻传感器，连接至恒流源电路的输出端；差分电路，连接至PT100铂电阻传感器的输出端；信号处理和滤波电路，连接在差分电路的输出端；恒流源电路包括：恒压源；第一运算放大器，恒压源连接至第一运算放大器的同相输入端；负反馈电路，连接至第一运算放大器的反相输入端，负反馈电路接入第一运算放大器的反相输入端的电压跟随PT100铂电阻传感器的阻值变化而变化；开关元件，连接在第一运算放大器的输出端和恒流源电路的输出端之间，并由负反馈电路控制通断。该温度变送器的负反馈电路的电压随PT100铂电阻传感器的阻值变化而变化，可以使第一运算放大器的反向输入端的电压随PT100铂电阻传感器的阻值变化而变化，进而调节开关元件的开断，以此保证流经PT100铂电阻传感器的电路保持恒定，从而为PT100铂电阻传感器提供稳定的恒流源，电路稳定性较好。

附图说明

图1是本实用新型实施例的温度变送器的电路原理图；

图2是本实用新型实施例的温度变送器的恒流源电路的结构示意图；

图3是本实用新型实施例的温度变送器的差分电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

参见图1至图3所示，根据本实用新型的实施例，温度变送器包括：恒流源电路；PT100铂电阻传感器，连接至恒流源电路的输出端；差分电路，连接至PT100铂电阻传感器的输出端；信号处理和滤波电路，连接在差分电路的输出端。

其中恒流源电路包括：恒压源；第一运算放大器U8-A，恒压源连接至第一运算放大器U8-A的同相输入端3；负反馈电路，连接至第一运算放大器U8-A的反相输入端，负反馈电路接入第一运算放大器U8-A的反相输入端的电压跟随PT100铂电阻传感器(下面简称为PT100)的阻值变化而变化；开关元件，连接在第一运算放大器U8-A的输出端和恒流源电路的输出端之间，并由负反馈电路控制通断。

PT100在一定的温度范围内，温度与阻值成线性变化，因此可将PT100看成一个可变的电阻接入温度变送器内。恒流源用以提供电路恒定的电流，恒定电流流经PT100，输出一个随PT100阻值变化的电压，得到的此电压经过差分电路，信号处理和滤波电路，最终得到所需要的信号，这个信号是和PT100的温度一一对应的。

在该温度变送器工作时，可以通过恒压源输出恒定电压至第一运算放大器U8-A，根据运算放大器的虚短虚断的原理，一般情况下第一运算放大器U8-A的同相输入端3电压与反相输入端的电压相同。在接入PT100之后，由于PT100的阻止会跟随温度变化而变化，当PT100的阻值发生变化时，会影响到负反馈电路接入第一运算放大器U8-A的反相输入端的电压，此时第一运算放大器U8-A的反相输入端电压会发生变化，控制开关元件开断来控制负反馈电路接入第一运算放大器U8-A的反相输入端的电压，直至第一运算放大器U8-A的反相输入端电压与同相输入端3电压再次保持一致。通过这种方式，可以使流经PT100的电流值不断动态调整，并始终保持在一个恒定电流值，使流经PT100的电流值实现动态平衡，保持整个温度变送器工作时电路的稳定性。在本实施例中，恒压源选用TL431。

负反馈电路包括第一电阻R19，PT100的第二接线端子PT100_2与第一电阻R19共同连接至第一运算放大器U8-A的反相输入端，PT100的第一接线端子PT100_1连接至开关元件的输出端，第一电阻R19接地。当第一运算放大器U8-A的反相输入端电压小于第一运算放大器U8-A的同相输入端3的电压时，第一运算放大器U8-A输出为正，开关元件连通，经过第一电阻R19的电流增大，使得第一运算放大器U8-A的反相输入端电压增大，直至与第一运算放大器U8-A的同相输入端3的电压一致。当第一运算放大器U8-A的反相输入端电压大于第一运算放大器U8-A的同相输入端3的电压时，第一运算放大器U8-A输出为负，开关元件断开，经过第一电阻R19的电流变小，使得第一运算放大器U8-A的反相输入端电压减小，直至与第一运算放大器U8-A的同相输入端3的电压一致。优选地，在第一电阻R19的两端并联有电容C31和电容C32，电容C31和电容C32并联设置。电容C31和电容C32可以对第一电阻R19上的电压起到滤波和稳压的作用。

在PT100的两个接线端子上并联有电容C30和电容C33，可以对PT100所输出的电压进行滤波和稳压，提高PT100所输出电压的稳定性和抗干扰性。

优选地，开关元件为三极管Q2，三极管Q2的基极连接至第一运算放大器U8-A的输出端，三极管Q2的集电极连接至驱动电源，三极管Q2的发射极连接至PT100的第一接线端子PT100_1。在第一运算放大器U8-A的输出端和三极管Q2的基极之间设置有电阻R10，在三极管Q2的集电极与驱动电源之间的电路上串联有电阻R31。

在本实施例中，TL431提供恒定的2.4V电压，此电压接入第一运算放大器U8-A的同相输入端。据运放虚短虚断原理，一般情况下第一运算放大器U8-A的反相输入端的电压也为2.4V。为了尽可能地得到恒定的电流，可以利用负反馈电路控制三极管Q2开/断达到电流动态平衡。以恒定电流为1mA为例，当三极管Q2的集电极电流＞1mA时，流经第一电阻R19的电流增大，第一电阻R19的电压也随之增加，即第一运算放大器U8-A的反相输入端电压＞2.4V，第一运算放大器U8-A输出为负，三极管Q2关断，使输出电流减小，最终达到2.4V。反之，当三极管Q2的集电极电流＜1mA时，第一运算放大器U8-A的输出为正，三极管Q2导通，使三极管Q2的集电极电流增大，最终达到2.4V。这样，流经PT100的电流就能够动态保持在1mA。

优选地，第一运算放大器U8-A的反相输入端连接有第一电压跟随器U1-A，开关元件的输出端连接有第二电压跟随器U2-A，可以保证恒流源经过PT100后输出的电压值时刻与PT100的阻值变化保持一致，保证温度变送器的灵敏性。

第一电压跟随器U1-A的输入端连接有第一滤波电路，第二电压跟随器U2-A的输入端连接有第二滤波电路。第一滤波电路包括连接在PT100的第二接线端子PT100_2上的电阻R4和接地的电容C6，通过电阻R4和电容C6可以对进入第一电压跟随器U1-A的输入端的电压进行滤波，从而提高进入第一电压跟随器U1-A的输入端的电压的稳定性和抗干扰能力。第二滤波电路包括连接在PT100的第一接线端子PT100_1上的电阻R3和接地的电容C5，通过电阻R3和电容C5可以对进入第二电压跟随器U2-A的输入端的电压进行滤波，从而提高进入第二电压跟随器U2-A的输入端的电压的稳定性和抗干扰能力。1mA的电流流过PT100和R19，R19端电压经过第一滤波电路这个一阶滤波器和第一电压跟随器U1-A得到一个输出电压U1，PT100端电压经过第一滤波电路这个一阶滤波器和第一电压跟随器U1-A得到一个输出电压U2，其中U2的幅值随PT100阻值变化。

恒压源的输出端连接有第三滤波电路，该第三滤波电路用于度恒压源输出至第一运算放大器U8-A的电压进行滤波，提高恒压源输出电压的稳定性和抗干扰性。

差分电路包括：第二运算放大器U1-B，第二运算放大器U1-B的同相输入端连接至第一电压跟随器U1-A的输出端；第三运算放大器U2-B，第三运算放大器U2-B的同相输入端连接至第二电压跟随器U2-A的输出端；第四运算放大器U4-A，第二运算放大器U1-B的输出端连接至第四运算放大器U4-A的同相输入端，第三运算放大器U2-B的输出端连接至第四运算放大器U4-A的反相输入端。

优选地，第二运算放大器U1-B的反相输入端连接至第三运算放大器U2-B的反相输入端，第二运算放大器U1-B的反相输入端和第三运算放大器U2-B的反相输入端之间串联有第二电阻R9。在温度变送器工作的过程中，可以通过单独改变第二电阻R9的阻值来改变电路的增益以及使共模抑制比尽可能大，从而保证电桥平衡不被破坏。

在第二运算放大器U1-B的反相输入端与输出端之间的电路上串联有电阻R8，在第三运算放大器U2-B的反相输入端与输出端之间的电路上串联有电阻R5，在第二运算放大器U1-B的输出端与第四运算放大器U4-A的反相输入端之间串联有电阻R21，在第三运算放大器U2-B的输出端与第四运算放大器U4-A的同相输入端之间串联有电阻R22，在第四运算放大器U4-A的反相输入端和输出端之间的电路上串联有电阻R23。在第四运算放大器U4-A的同相输入端还连接有一个接地电阻R26。

电阻R5、电阻R8和第二电阻R9的阻值根据需求选取，可以得出两路分别与电压U1和电压U2成比例的电压，然后根据这两路电压可以得出最终差分电路输出的电压U3，其中U3＝x*U2-y*U1，x和y为常数，根据电阻R5、电阻R8和第二电阻R9的阻值算出。

结合参见图3所示，图中R5和R8的阻值相等，R21和R22阻值相等，R21//R23＝R22//R26；

根据虚短虚断原则，U2-B的反向端的电压也为U2，U1-B的反向端的电压也为U1。不难得到以下等式：

(Ua-Ub)/(2R5+R9)＝(U2-U1)/R9

则：Ua-Ub＝(1+2R5/R9)*(U2-U1)①

再根据基本的减法电路计算U4-B电路的输出：

U3＝(R23/R21)*(Ua-Ub)②

将①代入②中得：

U3＝(1+2R5/R9)*(R23/R21)*(U2-U1)

从上述公式中不难看出，当U2＝U1时，则经过R9的电流为0，Ua＝Ub，输出电压U3＝0，所以电路能够抑制共模信号。

优选地，差分电路还包括第三电压跟随器U4-B，连接至第四运算放大器U4-A的输出端，第三电压跟随器U4-B的输入端设置有第四滤波器，该第四滤波器包括电阻R27和电容C9，从而可以对差分电路最终输出的电压U3起到更好的滤波和隔离效果，提高电压U3输出时的稳定性和抗干扰能力。

信号处理电路将差分电路输出的电压U3转换成所需要的信号量，这个电路要根据需求的是电流信号还是电压信号而定，此信号再经一级滤波电路得到最终输出信号量。

本实用新型采用恒流源的方法进行温度采集，最大化地使PT100两端的电压线性化，提高了温度变送器电路的稳定性。电路中加入了多级滤波电路，电压跟随器和差分电路，使得温度变送器的抗干扰能力大大增强。

当然，以上是本实用新型的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种温度变送器，其特征在于，包括：

恒流源电路；

PT100铂电阻传感器，连接至所述恒流源电路的输出端；

差分电路，连接至所述PT100铂电阻传感器的输出端；

信号处理和滤波电路，连接在所述差分电路的输出端；

所述恒流源电路包括：

恒压源；

第一运算放大器，所述恒压源连接至所述第一运算放大器的同相输入端；

负反馈电路，连接至所述第一运算放大器的反相输入端，所述负反馈电路接入所述第一运算放大器的反相输入端的电压跟随PT100铂电阻传感器的阻值变化而变化；

开关元件，连接在所述第一运算放大器的输出端和所述恒流源电路的输出端之间，并由所述负反馈电路控制通断。

2.根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于，所述负反馈电路包括第一电阻，所述PT100铂电阻传感器的第二接线端子与所述第一电阻共同连接至所述第一运算放大器的反相输入端，所述PT100铂电阻传感器的第一接线端子连接至所述开关元件的输出端。

3.根据权利要求2所述的温度变送器，其特征在于，所述开关元件为三极管，所述三极管的基极连接至所述第一运算放大器的输出端，所述三极管的集电极连接至驱动电源，所述三极管的发射极连接至所述PT100铂电阻传感器的第一接线端子。

4.根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于，所述第一运算放大器的反相输入端连接有第一电压跟随器，所述开关元件的输出端连接有第二电压跟随器。

5.根据权利要求4所述的温度变送器，其特征在于，所述第一电压跟随器的输入端连接有第一滤波电路，所述第二电压跟随器的输入端连接有第二滤波电路。

6.根据权利要求1所述的温度变送器，其特征在于，所述恒压源的输出端连接有第三滤波电路。

7.根据权利要求4或5所述的温度变送器，其特征在于，所述差分电路包括：

第二运算放大器，所述第二运算放大器的同相输入端连接至所述第一电压跟随器的输出端；

第三运算放大器，所述第三运算放大器的同相输入端连接至所述第二电压跟随器的输出端；

第四运算放大器，所述第二运算放大器的输出端连接至所述第四运算放大器的同相输入端，所述第三运算放大器的输出端连接至所述第四运算放大器的反相输入端。

8.根据权利要求7所述的温度变送器，其特征在于，所述第二运算放大器的反相输入端连接至所述第三运算放大器的反相输入端，所述第二运算放大器的反相输入端和所述第三运算放大器的反相输入端之间串联有第二电阻。

9.根据权利要求7所述的温度变送器，其特征在于，所述差分电路还包括第三电压跟随器，连接至所述第四运算放大器的输出端。

10.根据权利要求9所述的温度变送器，其特征在于，所述第三电压跟随器的输入端设置有第四滤波器。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的温度变送器，其特征在于，所述恒压源为TL431。