CN206573227U - 实时自校准热电偶测温电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实时自校准热电偶测温电路，属于电路领域。该电路包括热电偶、热电偶前置滤波电路、热电偶前置电路、MCU、模拟开关电路、自校准电路、放大电路；热电偶前置滤波电路的输出端与热电偶前置电路的输入端连接；热电偶前置电路的输出端分别与模拟开关电路、自校准电路、连接；自校准电路与模拟开关电路连接；模拟开关电路与放大电路的输入端连接；放大电路与MCU连接；MCU与双向光MOS管连接、模拟开关芯片连接；解决了现有技术中校验放大倍数和零点电压时校验步骤繁琐，校准效率低的问题，达到了避免温度、时间、器件参数等因素对校验值的影响，实时自动对零点电压和放大倍数的自校验，提高校验效率的效果。

Description

实时自校准热电偶测温电路

技术领域

本实用新型实施例涉及电路领域，特别涉及一种实时自校准热电偶测温电路。

背景技术

热电偶是目前温度测量应用最广泛的传感元件，热电偶是把两根化学成分不同的金属导线联接起来组成一个闭合回路，该闭合回路叫热电回路。当两个导体两个接点处于两个不同的温度时，热电回路中有一定的电流流过，表明回路有电势产生，根据电势获得被测介质的温度。

热电偶中放入被测介质中的一端为热端，与测量仪表相连的一端为冷端，在实际测量中热电偶的冷端温度受环境因素影响会不断发生变化。热电偶的测量组成部分为放大电路以及冷端补偿电路，热电偶热端电势的计算公式为： Y＝(X-c-b)/a，其中，Y表示用于测量温度的电压，a表示放大倍数，b表示零点电压，c表示偏置电压，X表示测量电压。

由于制造工艺、器件精度等原因，放大倍数和零点电压需要进行校准，一遍的校验方法为使用标准零度和满量程温度作为输入，推导出放大倍数和零点电压，再将推导出的放大倍数和零点电压输入到程序中。然而，重新更新测量温度对应的程序后，放大倍数和零点电压需要重新校验，校验步骤繁琐、校准效率低。

实用新型内容

为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种实时自校准热电偶测温电路。该技术方案如下：

第一方面，提供了一种在实时自校准热电偶测温电路，该电路包括热电偶、热电偶前置滤波电路、热电偶前置电路、微控制单元MCU、模拟开关电路、自校准电路、放大电路和断偶检测电路；

所述热电偶的热端与所述热电偶前置滤波电路的输入端连接，所述热电偶前置滤波电路包括电容器和电阻器；

所述热电偶前置滤波电路的输出端与所述热电偶前置电路的输入端连接，所述热电偶前置电路至少包括双向光金属绝缘半导体MOS管；

所述热电偶前置电路的输出端分别与所述模拟开关电路、所述自校准电路和所述断偶检测电路连接，所述模拟开关电路至少包括模拟开关芯片，所述断偶检测电路包括快恢复二极管和电阻器；

所述自校准电路分别与所述模拟开关电路和所述断偶检测电路连接，所述自校准电路至少包括基准电源芯片和第一运算放大器；

所述模拟开关电路的输出端与所述放大电路的输入端连接，所述放大电路至少包括第二运算放大器；

所述放大电路的输出端与所述MCU连接；

所述MCU通过第一信号控制线与所述热电偶前置电路中的所述双向光 MOS管连接；

所述MCU通过第二信号控制线和第三信号控制线与所述模拟开关电路中的所述模拟开关芯片连接；

所述MCU通过第四信号控制线与所述断偶检测电路连接。

可选的，所述自校准电路至少包括基准电源芯片、第一运算放大器、电位器和电容器；

所述第一运算放大器的输出端与所述模拟开关电路中的模拟开关芯片连接；

所述第一运算放大器的同相输入端至少通过一个电位器与所述基准电源芯片的正极连接；

所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端连接。

可选的，所述热电偶前置电路、所述断偶检测电路和所述模拟开关电路三者的公共端与所述自校准电路中的电位器的动端连接。

可选的，所述模拟开关电路中的所述模拟开关芯片的第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端和第五输入端分别与所述热电偶前置电路中的所述双向光MOS管连接。

可选的，所述放大电路还包括电容器；

所述第二运算放大器的同相输入端和反相输入端分别与所述模拟开关芯片的第一输出端和第二输出端连接；

所述第二运算放大器的所述同相输入端和所述反相输入端之间连接有一个电容器；

所述第二运算放大器的输出端与所述MCU连接。

可选的，所述MCU通过所述第二信号控制线和所述第三信号控制线分别与所述模拟开关芯片的两个输入控制端连接。

可选的，所述热电偶前置电路还包括电容器和电阻器，所述放大电路还包括电阻器，所述自校准电路还包括电阻器。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本实用新型实施例提供的实时自校准热电偶测温电路，包括热电偶、热电偶前置滤波电路、热电偶前置电路、MCU、模拟开关电路、自校准电路、放大电路和断偶检测电路，通过MCU输出控制信号，以及模拟开关电路和热电偶前置电路的配合实现信号切换，使得自校准电路能够实时校准零点电压和放大倍数解决了现有技术中校验放大倍数和零点电压时校验步骤繁琐，校准效率低的问题，达到了避免温度、时间、器件参数等因素对校验值的影响，无需接外部标准源进行校准，实时自动对零点电压和放大倍数的自校验，提高校验效率的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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是根据一示例性实施例示出的一种实时自校准热电偶测温电路的原理示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种实时自校准热电偶测温电路的电路图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种用于实时自校准热电偶温度测量电路的实时自校准方法的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

图1是根据一示例性实施例实处的一种实时自校准热电偶测温电路的原理示意图。该实时自校准热电偶测温电路包括热电偶110、热电偶前置滤波电路 120、热电偶前置电路170、断偶检测电路130、自校准电路180、模拟开关电路 140、放大电路150和MCU(Microcontroller Unit，微控制器)160。

热电偶110的热端与热电偶前置滤波电路120连接，热电偶前置滤波电路 120对热电偶进行前置π滤波处理，降低共模干扰和导线耦合噪声。

其中，热电偶为K型热电偶。可选的，在实例设计中热电偶的测量范围为 -50℃至450℃。

热电偶前置电路170与断偶检测电路130连接。

热电偶前置电路170中包括双向光MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属 -氧化物-半导体)管，双向光MOS管用于配合模拟开关电路140中的模拟开关芯片实现功能切换；断偶检测电路130用于检测热电偶是否出现断偶故障，断偶故障是指热电偶断偶，也即热电偶不导通或者外部没有接热电偶或者热电偶的线断开。

热电偶前置滤波电路120由两个电容器和一个电阻器构成。

热电偶前置电路170与自校准电路180连接。自校准电路180至少包括基准电源芯片和一个运算放大器。

自校准电路180用于实时自校准零点电压和放大倍数。

热电偶前置电路170与模拟开关电路140连接，模拟开关电路140与放大电路150连接，放大电路150与MCU160连接。

断偶检测电路130与模拟开关电路140连接。断偶检测电路130包括快恢复二极管和电阻器。

模拟开关电路140包括模拟开关芯片，模拟通过模拟开关芯片实现切换参考源、零点电压、信号源，通过切换信号实现放大倍数和零点的自校准，以及实现断偶检测。

放大电路150用于放大输出电压。

MCU160通过第一信号控制线11与热电偶前置电路170连接，MCU160通过第二信号控制线12和第三信号控制线14与模拟开关电路140中的模拟开关芯片连接，MCU160通过第四信号控制线13与断偶检测电路连接。

MCU160用于控制该实时自校准热电偶测温电路中的零点电压与放大倍数的自校准。

图2是根据一示例性实施例示出的一种实时自校准热电偶测温电路的电路图。

该实时自校准热电偶测温电路包括的器件及其型号如表一所示。

表一

如图2所示，该实时自校准热电偶测温电路包括热电偶、热电偶前置滤波电路、热电偶前置电路、自校准电路、MCU20、模拟开关电路、放大电路和断偶检测电路；

热电偶的热端10与热电偶前置滤波电路的输入端连接，热电偶前置滤波电路包括电容器和电阻器。

具体地，如图2所示，热电偶前置滤波电路由电容器C2、C3和电阻器R2 构成。

热电偶前置滤波电路的输出端与热电偶前置电路的输入端连接。热电偶前置电路至少包括双向光MOS管。

可选的，热电偶前置电路还包括电阻器和电容器。

热电偶前置电路的输出端分别与模拟开关电路、自校准电路和断偶检测电路的输入端连接。

模拟开关电路至少包括模拟开关芯片，断偶检测电路包括快恢复二极管和电阻器。具体地，如图2所示，热电偶的热端10与热电偶前置滤波电路连接。热电偶前置滤波电路的两个输出端分别与双向光MOS管PH1的第8引脚和第6 引脚连接。

自校准电路分别与模拟开关电路和断偶检测电路连接。自校准电路至少包括基准电源芯片和第一运算放大器。

具体地，如图2所示，自校准电路中的第一运算放大器U4的输出端通过模拟开关电路中的电阻R6和电阻R8与模拟开关芯片U1连接。自校准电路中的电位器W1的动端与断偶检测电路中的电阻器R1连接。

模拟开关电路的输出端与放大电路的输入端连接，放大电路至少包括第二运算放大器。

具体地，如图2所示，放大电路包括第二运算放大器U3。

可选的，放大电路还包括电容器和电阻器。

放大电路的输出端与MCU20连接。

具体地，如图2所示，放大电路中的第二运算放大器U3的输出端与MCU20 连接。可选的，在第二运算放大器U3和MCU20之间还包括电阻器R12和电容器C9构成的RC滤波部分。

MCU通过第一信号控制线与热电偶前置电路中的双向光MOS管连接。

具体地，如图2所示，MCU20通过第一信号控制线CH-A与双向光MOS 管PH1的第4引脚连接，MCU20输出CH-A信号。

MCU通过第二信号控制线和第三信号控制线与模拟开关中的模拟开关芯片连接。

具体地，如图2所示，MCU20通过第二信号控制线CH-B与模拟开关芯片 U1的输入控制端B连接，MCU20输出CH-B信号；MCU20通过第三信号控制线CH-C与模拟开关芯片的输入控制端C连接，MCU20输出CH-C信号。

MCU通过第四信号控制线与断偶检测电路连接。

具体地，如图2所示，MCU20通过第四信号控制线DO-CHK与断偶检测电路连接。

可选的，自校准电路至少包括基准电源芯片、第一运算放大器、电位器和电容器。

第一运算放大器的输出端与模拟开关电路中的模拟开关芯片连接；

第一运算放大器的同相输入端至少通过一个电位器与基准电源芯片的正极连接；

第一运算放大器的反相输入端与第一运算放大器的输出端连接。

具体地，第一运算放大器U4的输出端通过模拟开关电路中的通过模拟开关电路中的电阻R6和电阻R8与模拟开关芯片连接。第一运算放大器U4的输出端与第一运算放大器的反相输入端连接。第一运算放大器U4的同相输入端通过电位器W1、电容器C12、电阻器R11与基准电源芯片U2的正极连接。基准电源芯片U2其他端口的连接方式请参考图2，这里不再赘述。

可选的，热电偶前置电路、断偶检测电路和模拟开关电路三者的公共端与自校准电路中的电位器的动端连接。

如图2所示，热电偶前置电路、断偶检测电路和模拟开关电路三个电路的公共端与电位器W1的动端连接。

可选的，模拟开关电路中的模拟开关芯片的第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端和第五输入端分别与热电偶前置电路中的双向光MOS管连接。

具体地，如图2所示，双向光MOS管的第7引脚通过电阻器R4与模拟开关芯片U1的第一输入端Z1连接，双向光MOS管的第7引脚通过电阻器R5与模拟开关芯片U1的第二输入端Z0连接，双向光MOS管的第5引脚通过电阻器R6与模拟开关芯片U1的第三输入端Y0连接，双向光MOS管的第5引脚通过电阻器R6与模拟开关芯片U1的第四输入端X1连接，双向光MOS管的第5 引脚通过电阻器R6与模拟开关芯片U1的第五输入端X0连接。

可选的，放大电路还包括电容器；第二运算放大器的同相输入端和反相输入端分别与模拟开关芯片的第一输出端和第二输出端连接；第二运算放大器的同相输入端和反相输入端之间连接有一个电容器。第二运算放大器的输出端与 MCU连接。

具体地，如图2所示，模拟开关芯片U1的第一输出端X和第二输出端Y 分别与第二运算放大器U3的同相输入端和反相输入端连接。第二运算放大器 U3的同相输入端和反相输入端之间连接有电容器C6。第二运算放大器U3的输出端与MCU20连接。

可选的，MCU通过第二信号控制线和第三信号控制线分别与模拟开关芯片的两个输入控制端连接。

具体地，如图2所示，MCU20通过第二信号控制线CH-B与模拟开关芯片U1的输入控制端B连接，MCU20输出CH-B信号；MCU20通过第三信号控制线CH-C与模拟开关芯片的输入控制端C连接，MCU20输出CH-C信号。

另外，模拟开关芯片U1的输入控制端C接地。

具体地，如图2所示，双向光MOS管PH1的第7引脚与断偶检测电路连接。

具体地，双向光MOS管PH1的第7引脚输出Vin+，第7引脚与模拟开关芯片U1的Z0端和Z1端连接；双向光MOS管PH1的第5引脚输出Vin-，第5 引脚与模拟开关芯片U1的X0端和X1端连接。

具体地，如图2所示，基准电源芯片U2的正极通过电阻器R10与正向电源VCC连接，基准电源芯片U2的参考极与参考电压Vref连接，基准电源芯片U2 的的参考极和负极之间连接有电容器C8。基准电源芯片U2的正极通过电阻器 R11、电位器W1、电阻器R15接地；电位器w1的动端分为两个支路，一个支路连接断偶检测电路，，该支路还与热电偶前置电路连接，另一个支路串联电容器C12后与第一运算放大器U4的同相输入端连接，且该支路连接电容器C13 后接地。

假设电位器W1的动端为a点，电容器C12和电容器C13之间的公共端为 b点，Vb＝0.22V，Vab＝20mv。

可选的，电路还包括若干个电容器和若干个电阻器。

本实施例所示的实时自校准电路包括的热电偶前置电路还包括电容器和电阻器，放大电路还包括电阻器，自校准电路还包括电阻器，若干个电阻器和若干个电容器在电路中的具体连接方式请参考图2，这里不再赘述。

综上所述，本实用新型实施例提供的实时自校准热电偶测温电路，该电路包括热电偶、热电偶前置滤波电路、热电偶前置电路、MCU、模拟开关电路、自校准电路、放大电路和断偶检测电路，通过MCU输出控制信号，以及模拟开关电路和热电偶前置电路的配合实现信号切换，使得自校准电路能够实时校准零点电压和放大倍数解决了现有技术中校验放大倍数和零点电压时校验步骤繁琐，校准效率低的问题，达到了避免温度、时间、器件参数等因素对校验值的影响，无需接外部标准源进行校准，实时自动对零点电压和放大倍数的自校验，提高校验效率的效果。

在图1或图2所示的实时自校准热电偶测温电路中，VCC＝5V；Vref＝2.5V； V+＝5V；V-＝-5V；GND＝0V，利用基准电源芯片U2产生两种电压Vab与Vb，其中，Vab＝Va-Vb，Vb为零点电压，Vb＝0.22V,Vab＝20mV。由于K型热电偶热端电动势在20mv时测得的温度为485℃，因此使用Vab作为K型热电偶的满量程电压。

如图1或图2所示的实时自校准热电偶测温电路的工作原理如下。

MCU中存储有用于实现对电路中零点电压和放大倍数的程序，MCU控制 CH-A信号、CH-B信号、CH-C信号、DO-CHK信号的值，实现该电路的功能切换。CH-A信号、CH-B信号、CH-C信号、DO-CHK信号的取值及其对应的功能如表二所示。

表二

表二中0表示低电平，1表示高电平。

用于该实时自校准热电偶温度测量电路中MCU的实时自校准方法的流程图如图3所示，该方法包括：

步骤301，当CH-A＝1，CH-B＝0，CH-C＝1，DO-CHK＝0时，进行零点电压校准。

当CH-A＝1，CH-B＝0，CH-C＝1，DO-CHK＝0时，双向光MOS管PH 1关闭，热电偶断开，模拟开关芯片U1选择Y0端和Y端导通，Z1端和Z端导通，将零点电压Vb发送至第一运算放大器U3，经过放大处理后得到Vsd+，并将 Vsd+发送至MCU，由MCU中的ADC(Analog-to-digitalconverter，模拟数字转换器)对Vsd+进行转换得到Vb1，并记录Vb1。

步骤302，当CH-A＝1，CH-B＝1，CH-C＝0，DO-CHK＝0时，进行放大倍数校准。

当CH-A＝1，CH-B＝1，CH-C＝0，DO-CHK＝0时，双向光MOS管PH 1关闭，热电偶断开，模拟开关芯片U1选择Y1端和Y端导通，Z0端和Z端导通，将满量程电压Vab发送至第一运算放大器U3，经过放大处理后得到Vsd+，并将Vsd+发送至MCU，由MCU中的ADC对Vsd+进行转换得到Vab1，并记录 Vab1。

偏置电压Vsd-发送至MCU，由MCU中的ADC对Vsd-进行转换，得到Vc，并记录Vc。

由上述的测量数据得到校准后的零点电压Vb和放大倍数a，Vb＝Vb1-Vc(公式1)，a＝[Vab1-Vc-(Vb1-Vc)]/2mV(公式2)。

到此，该实时自校准热电偶测温电路完成了零点电压和放大倍数的自校验。

步骤303，当CH-A＝0；CH-B＝1；CH-C＝1；DO-CHK＝1时，进行断偶检测。

该实时自校准热电偶测温电路还可以实现热电偶的断偶故障检测，具体实现方法如下：

当CH-A＝0；CH-B＝1；CH-C＝1；DO-CHK＝1时，那么双向光MOS PH1打开，热电偶接通，模拟开关芯片U1选择Y1端与Y端导通，Z1端与Z端导通，将热电偶的电压差送至第一运算放大器U3，经过放大处理后得到Vsd+，将Vsd+ 送至MCU，由MCU中的ADC对Vsd进行处理，得到电压X并记录。

步骤304，检测电压X是否接近满量程电压。

若检测到电压X接近满量程电压，则执行步骤305；若未检测到电压X接近满量程，则执行步骤306。

检测电压X是否接近满量程电压，如果电压X接近满量程电压，说明热电偶已经断开，报告断偶故障，此时的电压X是被DO-CHK拉到了高电平。

步骤305，报告断偶故障。

步骤306，当CH-A＝0；CH-B＝1；CH-C＝1；DO-CHK＝0时，测量当前热电偶的热端的电动势，并将电动势转换为温度，计数器的值加1。

当CH-A＝0；CH-B＝1；CH-C＝1；DO-CHK＝0时，双向光MOS PH1打开，热电偶接通，模拟开关芯片U1选择Y1端与Y端导通，Z1端与Z端导通，将热电偶的电压差送至第一运算放大器U3，经过放大处理后得到Vsd+，将Vsd+ 送至MCU，由MCU中的ADC进行处理，得到电压X并记录。

此时将Vb＝Vb1-Vc(公式1)和a＝[Vab1-Vc-(Vb1-Vc)]/2mV(公式2)带入公式Y＝(X-Vc-Vb)/a，得到热电偶的热端的电动势。

步骤307，检测计数器的值是否大于预定值。

可选的，预定值为预先设置的数值，比如100。可选的，预定值可以根据实际情况进行更改。

若计数器的值大于预定值，则重新执行步骤303；若计数器的值不大于预定值，则重新执行步骤301。

为了提高单位时间内热电偶测量温度的次数，可以在达到预定次数时再对零点电压和放大倍数进行校准。

需要说明的是，也可以不计数，每测量一次温度后对零点电压和放大倍数进行一次自校准，则步骤306中不执行“计数器的值加1”，步骤307不执行。

本实用新型实施例提供的实时自校准热电偶测温电路中的MCU无需记录校正数据，更新程序或更换MCU之后也可以直接测量；能够实时校准零点电压和放大倍数，消除热电偶测温电路中电子器件的时漂和温漂的问题。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，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)

1.一种实时自校准热电偶测温电路，其特征在于，所述电路包括热电偶、热电偶前置滤波电路、热电偶前置电路、微控制单元MCU、模拟开关电路、自校准电路、放大电路和断偶检测电路；

所述热电偶的热端与所述热电偶前置滤波电路的输入端连接，所述热电偶前置滤波电路包括电容器和电阻器；

所述热电偶前置滤波电路的输出端与所述热电偶前置电路的输入端连接，所述热电偶前置电路至少包括双向光MOS管；

所述热电偶前置电路的输出端分别与所述模拟开关电路、所述自校准电路和所述断偶检测电路连接，所述模拟开关电路至少包括模拟开关芯片，所述断偶检测电路包括快恢复二极管和电阻器；

所述自校准电路分别与所述模拟开关电路和所述断偶检测电路连接，所述自校准电路至少包括基准电源芯片和第一运算放大器；

所述模拟开关电路的输出端与所述放大电路的输入端连接，所述放大电路至少包括第二运算放大器；

所述放大电路的输出端与所述MCU连接；

所述MCU通过第一信号控制线与所述热电偶前置电路中的所述双向光MOS管连接；

所述MCU通过第二信号控制线和第三信号控制线与所述模拟开关电路中的所述模拟开关芯片连接；

所述MCU通过第四信号控制线与所述断偶检测电路连接。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述自校准电路至少包括基准电源芯片、第一运算放大器、电位器和电容器；

所述第一运算放大器的输出端与所述模拟开关电路中的模拟开关芯片连接；

所述第一运算放大器的同相输入端至少通过一个电位器与所述基准电源芯片的正极连接；

所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述热电偶前置电路、所述断偶检测电路和所述模拟开关电路三者的公共端与所述自校准电路中的电位器的动端连接。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述模拟开关电路中的所述模拟开关芯片的第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端和第五输入端分别与所述热电偶前置电路中的所述双向光MOS管连接。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述放大电路还包括电容器；

所述第二运算放大器的同相输入端和反相输入端分别与所述模拟开关芯片的第一输出端和第二输出端连接；

所述第二运算放大器的所述同相输入端和所述反相输入端之间连接有一个电容器；

所述第二运算放大器的输出端与所述MCU连接。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述MCU通过所述第二信号控制线和所述第三信号控制线分别与所述模拟开关芯片的两个输入控制端连接。

7.根据权利要求1至6任一所述的电路，其特征在于，

所述热电偶前置电路还包括电容器和电阻器，所述放大电路还包括电阻器，所述自校准电路还包括电阻器。