一种热电阻测量装置的制作方法

1.本技术涉及传感器技术领域，特别涉及一种热电阻测量装置。


背景技术：

2.电阻式温度传感器(resistance temperature detector，rtd)，简称热电阻，其电阻温度随着温度变化而变化，常用于温度测量。在热电阻测量的控制系统中，可以采集当前热电阻的电阻值和温度数值。
3.图1为现有技术中的热电阻测量装置。
4.目前，热电阻参数采集一般采用恒流源的方案。如图1所示，现有的热电阻测量装置主要包括：热电阻101、基准电压源102、精密恒流源103、防护偏置电路104、射频干扰(radio frequency interference，rfi)滤波电路105、多路模拟开关106、带可编程增益放大器(programmable gain amplifier，pga)的∑-δ型模数转换器(analog to digital converter，adc)107、精密运放108、微处理器(microcontroller unit，mcu)109等部分。该装置存在恒流源匹配度差、误差较大，一致性较差、需要校准、浪费人力物力，若想免校，则需要更改更高精度的运放和基准电压源，增加了产品成本等问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种热电阻测量装置，在降低校准或使用高精度运放、高精度基准电压源带来的成本的同时，提高测量精度。
6.为解决上述技术问题，本技术提供一种热电阻测量装置，包括：热电阻，基准电阻，返回电阻，第一滤波电路，第二滤波电路，具有两路可编程匹配电流源的多路复用模数转换器，以及微处理器；
7.其中，所述热电阻、所述基准电阻和所述返回电阻串联后连接于所述多路复用模数转换器的第一恒流源与地之间，且所述返回电阻的第二端接地；所述热电阻靠近地的一端与所述多路复用模数转换器的第二恒流源连接；
8.所述第一滤波电路的输入端连接于所述基准电阻两端，所述第一滤波电路的输出端与所述多路复用模数转换器的基准信号输入端连接；所述第二滤波电路的输入端连接于所述热电阻两端，所述第二滤波电路的输出端与所述多路复用模数转换器的采样信号输入端连接；
9.所述多路复用模数转换器的输出端与所述微处理器连接。
10.可选的，所述多路复用模数转换器具体为ad7124-8。
11.可选的，所述热电阻、所述基准电阻和所述返回电阻串联后连接于所述多路复用模数转换器的第一恒流源与地之间，且所述返回电阻的第二端接地；所述热电阻靠近地的一端与所述多路复用模数转换器的第二恒流源连接，具体为：
12.所述热电阻的第一接线端、所述热电阻的第三接线端与所述基准电阻和所述返回电阻串联后连接于所述多路复用模数转换器的第一恒流源与地之间，且所述返回电阻的第
二端接地；所述热电阻的第二接线端与所述多路复用模数转换器的第二恒流源连接；
13.其中，所述热电阻的第二接线端和所述热电阻的第三接线端均为所述热电阻靠近地一侧的接线端。
14.可选的，所述热电阻、所述基准电阻和所述返回电阻串联后连接于所述多路复用模数转换器的第一恒流源与地之间，且所述返回电阻的第二端接地，具体为：
15.所述基准电阻、所述热电阻和所述返回电阻依次串联于所述多路复用模数转换器的第一恒流源与地之间。
16.可选的，所述热电阻、所述基准电阻和所述返回电阻串联后连接于所述多路复用模数转换器的第一恒流源与地之间，且所述返回电阻的第二端接地，具体为：
17.所述热电阻、所述基准电阻和所述返回电阻依次串联后连接于所述多路复用模数转换器的第一恒流源与地之间。
18.可选的，所述热电阻的数量具体为多个，各所述热电阻依次串联于所述多路复用模数转换器的第一恒流源与所述基准电阻之间，所述热电阻一一对应通过所述第二滤波电路连接所述多路复用模数转换器的不同采样信号输入端。
19.可选的，所述第一滤波电路和所述第二滤波电路均具体为射频干扰滤波和电磁干扰滤波电路。
20.可选的，所述第一滤波电路具体包括：第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容和第三电容；
21.其中，所述第一电阻的第一端与所述基准电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端、所述第一电容的第一端、所述第三电容的第一端与所述多路复用模数转换器的基准信号输入端的正极连接，所述第二电阻的第一端与所述基准电阻的第二端连接，所述第二电阻的第二端、所述第二电容的第一端、所述第三电容的第二端与所述多路复用模数转换器的基准信号输入端的负极连接，所述第一电容的第二端、所述第二电容的第二端接地。
22.可选的，所述第二滤波电路具体包括：第三电阻、第四电阻、第四电容、第五电容和第六电容；
23.其中，所述第三电阻的第一端与所述热电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端、所述第四电容的第一端、所述第六电容的第一端与所述多路复用模数转换器的采样信号输入端的正极连接，所述第四电阻的第一端与所述热电阻的第二端连接，所述第四电阻的第二端、所述第五电容的第一端、所述第六电容的第二端与所述多路复用模数转换器的采样信号输入端的负极连接，所述第四电容的第二端、所述第五电容的第二端接地。
24.可选的，所述多路复用模数转换器通过串行外设接口总线与所述微处理器连接。
25.本技术提供的热电阻测量装置，利用具有两路可编程匹配电流源的多路复用模数转换器提供两个匹配度较高的恒流源，将热电阻与基准电阻和返回电阻串联后连接于多路复用模数转换器的第一恒流源与地之间，且返回电阻的第二端接地；热电阻靠近地的一端与多路复用模数转换器的第二恒流源连接；基准电阻两端通过第一滤波电路连接多路复用模数转换器的基准信号输入端，构成基准电压通道；热电阻两端通过第二滤波电路连接多路复用模数转换器的采样信号输入端，构成采集通道；多路复用模数转换器的输出端与微处理器连接。在两个恒流源匹配度较高的情况下，测量误差主要来源于基准电阻的精度，选用高精度的基准电阻，相较于校准或使用高精度运放、高精度基准电压源，降低了提高测量
精度的成本。且相较于现有热电阻测量装置，减少了分立元件的数量，节约了pcb空间，降低了故障率。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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附图。
27.图1为现有技术中的热电阻测量装置；
28.图2为本技术实施例提供的一种热电阻测量装置的结构示意图；
29.图3为ad7124-8内部结构图；
30.图4为本技术实施例提供的一种热电阻测量装置的电路图；
31.图5为本技术实施例提供的另一种热电阻测量装置的电路图；
32.其中，101为热电阻、102为基准电压源、103为精密恒流源、104为防护偏置电路、105为射频干扰滤波电路、106为多路模拟开关、107为带可编程增益放大器的∑-δ型模数转换器、108为精密运放，109为微处理器；201为热电阻，202为基准电阻，203为返回电阻，204为第一滤波电路，205为第二滤波电路，206为多路复用模数转换器，207为微处理器。
具体实施方式
33.本技术的核心是提供一种热电阻测量装置，在降低校准或使用高精度运放、基准电压源带来的成本的同时，提高测量精度。
34.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护范围。
35.实施例一
36.图2为本技术实施例提供的一种热电阻测量装置的结构示意图；图3为ad7124-8内部结构图。
37.如图2所示，本技术实施例提供的热电阻测量装置包括：热电阻201，基准电阻202，返回电阻203，第一滤波电路204，第二滤波电路205，具有两路可编程匹配电流源的多路复用模数转换器206，以及微处理器207；
38.其中，热电阻201、基准电阻202和返回电阻203串联后连接于多路复用模数转换器206的第一恒流源与地之间，且返回电阻203的第二端接地；热电阻201靠近地的一端与多路复用模数转换器206的第二恒流源连接；
39.第一滤波电路204的输入端连接于基准电阻202两端，第一滤波电路204的输出端与多路复用模数转换器206的基准信号输入端连接；第二滤波电路205的输入端连接于热电阻201两端，第二滤波电路205的输出端与多路复用模数转换器206的采样信号输入端连接；
40.多路复用模数转换器206的通讯接口与微处理器207连接。
41.在具体实施中，多路复用模数转换器206可以采用ad7124-8，如图3所示，ad7124-8具有8路差分输入引脚，分别为ain0/iout/vbias、ain1/iout/vbias、ain2/iout/vbias/p1、
ain3/iout/vbias/p2、ain4/iout/vbias/p3、ain5/iout/vbias/p4、ain6/iout/vbias、ain7/iout/vbias、ain8/iout/vbias、ain9/iout/vbias、ain10/iout/vbias、ain11/iout/vbias、ain12/iout/vbias、ain13/iout/vbias、ain14/iout/vbias/refin2( )、ain15/iout/vbias/refin2(-)，内部设有24位∑-δ型模数转换器(24-bit∑-δadc)，集成2路可编程匹配电流源，不匹配度为0.5％，可以配置流向任意模拟输入引脚。则多路复用模数转换器206的通讯接口具体可以通过串行外设接口(serial peripheral interface，spi)总线与微处理器207连接，即如图3所示的串口控制逻辑模块(serial interface and control logic)与微处理器207交互，用于采样电压信号由模拟信号转换为数字信号后输出至微处理器207，以便微处理器207计算得到热电阻201的电阻值和对应的温度数值。
42.基于具有两路可编程匹配电流源的多路复用模数转换器206，多路复用模数转换器206内部集成的恒流源的电流流经热电阻201、基准电阻202和返回电阻203后到信号地，构成测量回路。由于多路复用模数转换器206的“采集通道”、“基准电压 ”、“基准电压
‑”
的输入阻抗很高，因此恒流源不会流入这些通道，其中的漏电流很小，对测量精度不影响。
43.当恒流源电流流过基准电阻202时，产生模数转换器的基准电压信号，经过第一滤波电路204滤波后，进入基准电压通道。当恒流源的电流经过热电阻201时，产生测量电压信号，经过第二滤波电路205滤波后，进入采集通道。
44.多路复用模数转换器206对输入的电压信号进行模数转换后，采集结果通过串行外设接口总线输出至微处理器207，微处理器207将采集结果换算为电阻、温度等物理量，用于显示或控制。同时，微处理器207还可以通过串行外设接口总线对多路复用模数转换器206的工作模式进行设置控制。
45.实施例二
46.图4为本技术实施例提供的一种热电阻测量装置的电路图。
47.在上述实施例的基础上，由于热电阻201的接线方式有两线制、三线制和四线制，本技术实施例提供一种三线制连接方式。
48.则热电阻201、基准电阻202和返回电阻203串联后连接于多路复用模数转换器206的第一恒流源i
exc0
与地之间，且返回电阻203的第二端接地；热电阻201靠近地的一端与多路复用模数转换器206的第二恒流源i
exc1
连接，具体为：
49.热电阻201的第一接线端e、热电阻201的第三接线端c与基准电阻202和返回电阻203串联后连接于多路复用模数转换器206的第一恒流源i
exc0
与地之间，且返回电阻203的第二端接地；热电阻201的第二接线端s与多路复用模数转换器206的第二恒流源i
exc1
连接；
50.其中，热电阻201的第二接线端s和热电阻201的第三接线端c均为热电阻201靠近地一侧的接线端。
51.在具体实施中，以图4为例，热电阻201、基准电阻202和返回电阻203串联后连接于多路复用模数转换器206的第一恒流源i
exc0
与地之间，且返回电阻203的第二端接地，具体为：基准电阻202、热电阻201和返回电阻203依次串联于多路复用模数转换器206的第一恒流源i
exc0
与地之间。
52.在图4中，基准电阻202为r
ref
，热电阻201本身的阻值为r
rtd
，返回电阻203为r
return
，热电阻201的第一接线端e的引线电阻为r
l1
，热电阻201的第二接线端s的引线电阻为r
l2
，热电阻201的第三接线端c的引线电阻为r
l3
。第一恒流源i
exc0
自多路复用模数转换器206的引
脚ain0输出电流为i1，第二恒流源i
exc1
自多路复用模数转换器206的引脚ain3输出电流为i2。基准电阻202通过第一滤波电路204连接多路复用模数转换器206的基准信号输入端ref 、ref-，输入基准电压信号v
ref
。如多路复用模数转换器206采用图3所示的ad7124-8，则基准信号输入端ref 、ref-分别采用ad7124-8的refin1( )、refin1(-)引脚。热电阻201通过第二滤波电路205输入多路复用模数转换器206的采样信号输入端ain1、ain2，输入采集电压信号v
rtd
。在实际应用中，还可以采用多路复用模数转换器206的其他模拟引脚。
53.基于如图4所示的电路，当第一恒流源i
exc0
的电流i1自多路复用模数转换器206的电源av
dd
流出，经过基准电阻r
ref
，产生的电压作为多路复用模数转换器206的参考电压。第一恒流源i
exc0
的电流i1继续流过热电阻r
rtd
，后经过返回电阻r
return
流入信号地，构成第一恒流源i
exc0
的电流i1的回路。第二恒流源i
exc1
的电流i2从多路复用模数转换的电源av
dd
流出，流经热电阻r
rtd
的引线r
l2
、r
l3
，最后经过返回电阻r
return
流入信号地，构成第二恒流源i
exc1
的电流i2的回路。
54.在实际应用中，应尽量保证热电阻201的三条引线电阻的阻抗相等。
55.则热电阻201测量公式推导过程如下：
[0056]vain1
＝i1×
(r
l1
r
rtd
) (i1 i2)
×rl3
；
[0057]vain2
＝i2×rl2
(i1 i2)
×rl3
；
[0058]
其中，v
ain1
为多路复用模数转换器206的采样信号输入端正端ain1的电压，v
ain2
为多路复用模数转换器206的采样信号输入端负端ain2的电压。
[0059]
假设引线电阻r
l1
、r
l2
相等且均为r
l
，则有：
[0060]vrtd
＝v
ain1-v
ain2
＝(i
1-i2)
×rl
i1×rrtd
；
[0061]
由于引线电阻r
l
通常很小，如24awg的铜线，100米(已经满足绝大多数传感器的线缆长度)的阻抗为8.6ω，则ad7124-8的恒流源不匹配度(0.5％)引起的误差为8.6
×
0.005＝0.043ω。以铂电阻pt100为例，其电阻标称温度系数为0.385ω/℃，将误差0.043ω换算为温度仅0.12℃。即是说，采用100米的线缆，由于恒流源不匹配引起的测量误差只有0.11℃，正常测量时，可忽略不计。
[0062]
则可认为i1＝i2，则有：
[0063]vrtd
＝i1×rrtd
；
[0064]vref
＝i1×rref
；
[0065][0066]
其中，code为多路复用模数转换器206的采集码值，code
fs
为多路复用模数转换器206的参考码值，一般为(2
24-1)。
[0067]
可以看出，热电阻201的测量结果与引线电阻无关，仅与基准电阻202的大小和精度有关。在连接热电阻201时，与引线电阻相关的导线应尽可能等长，并特性一致。
[0068]
实施例三
[0069]
图5为本技术实施例提供的另一种热电阻测量装置的电路图。
[0070]
在上述实施例的基础上，在本技术实施例提供的热电阻测量装置中，如图5所示，热电阻201、基准电阻202和返回电阻203串联后连接于多路复用模数转换器206的第一恒流源i
exc0
与地之间，且返回电阻203的第二端接地，具体还可以为：
[0071]
热电阻201、基准电阻202和返回电阻203依次串联后连接于多路复用模数转换器206的第一恒流源i
exc0
与地之间。
[0072]
以图5为例，此时基准电阻202放置在热电阻201下端。第一恒流源i
exc0
的电流i1自多路复用模数转换器206的电源av
dd
流出，经过热电阻r
rtd
，再经过基准电阻r
ref
，最后经过返回电阻r
return
流入信号地，构成第一恒流源i
exc0
的电流i1的回路。第二恒流源i
exc1
的电流i2从多路复用模数转换的电源av
dd
流出，流经热电阻r
rtd
的引线r
l2
、r
l3
，再经过基准电阻r
ref
，最后经过返回电阻r
return
流入信号地，构成第二恒流源i
exc1
的电流i2的回路。
[0073]
则热电阻201测量公式推导过程如下：
[0074]vain1
＝i1×
(r
l1
r
rtd
) (i1 i2)
×
(r
l3
r
ref
r
return
)；
[0075]vain2
＝i2×rl2
(i1 i2)
×
(r
l3
r
ref
r
return
)；
[0076]
假设引线电阻r
l1
、r
l2
相等且均为r
l
，则有：
[0077]vrtd
＝v
ain1-v
ain2
＝(i
1-i2)
×rl
i1×rrtd
；
[0078]vref
＝(i1 i2)
×rref
；
[0079]
由于第一恒流源i
exc0
、第二恒流源i
exc1
的不匹配度为0.5％，基准电阻r
ref
的阻值较大，因此恒流源的匹配误差需要重新考虑。具体可以采用交换第一恒流源i
exc0
和第二恒流源i
exc1
，使用两次采集的数值进行计算，可以消除误差。
[0080]
则第一恒流源i
exc0
的电流i1流经热电阻r
rtd
时，可以得到如下公式：
[0081][0082]
交换至第二恒流源i
exc1
的电流i2流经热电阻r
rtd
时，可以得到如下公式：
[0083][0084]
由于两次流经基准电阻r
ref
的电流不变，基准电压相同，因此上述两式相加，可得出：
[0085][0086]
其中，code为多路复用模数转换器206的采集码值，code
fs
为多路复用模数转换器206的参考码值，一般为(2
24-1)。
[0087]
从上述推导结果可以看出，将基准电阻202置于热电阻201下端的连接方式下，热电阻201的测量结果也与引线电阻无关，仅与基准电阻202的大小和精度有关。
[0088]
实施例四
[0089]
在上述实施例三的基础上，为进一步降低成本，在本技术实施例提供的热电阻测量装置中，连接的热电阻201的数量具体可以为多个，例如在多路复用模数转换器206采用ad7124-8时，可以连接4路热电阻201进行测试。各热电阻201依次串联于多路复用模数转换器206的第一恒流源i
exc0
与基准电阻202之间，热电阻201一一对应通过第二滤波电路205连接多路复用模数转换器206的不同采样信号输入端。
[0090]
基于本技术实施例提供的热电阻测量装置，多路复用模数转换器206连接了多个采集通道，共用一个基准电压，微处理器207可以采用分时复用的方式依次读取各热电阻
201对应的采集电压信号，并分别测量出对应的电阻值和温度数值。
[0091]
实施例五
[0092]
在上述实施例的基础上，在本技术实施例提供的热电阻测量装置中，第一滤波电路204和第二滤波电路205具体可以采用射频干扰滤波和电磁干扰滤波电路。
[0093]
则在上述实施例的基础上，如图4和图5所示，第一滤波电路204具体可以包括：第一电阻r1、第二电阻r2、第一电容c1、第二电容c2和第三电容c3；
[0094]
其中，第一电阻r1的第一端与基准电阻202的第一端连接，第一电阻r1的第二端、第一电容c1的第一端、第三电容c3的第一端与多路复用模数转换器206的基准信号输入端的正极连接，第二电阻r2的第一端与基准电阻202的第二端连接，第二电阻r2的第二端、第二电容c2的第一端、第三电容c3的第二端与多路复用模数转换器206的基准信号输入端的负极连接，第一电容c1的第二端、第二电容c2的第二端接地。
[0095]
在具体实施中，第一电容c1的电容值和第二电容c2的电容值相等，第三电容c3的电容值是第一电容c1的电容值(或第二电容c2的电容值)的十倍。
[0096]
第二滤波电路205具体可以包括：第三电阻r3、第四电阻r4、第四电容c4、第五电容c5和第六电容c6；
[0097]
其中，第三电阻r3的第一端与热电阻201的第一端连接，第三电阻r3的第二端、第四电容c4的第一端、第六电容c6的第一端与多路复用模数转换器206的采样信号输入端的正极连接，第四电阻r4的第一端与热电阻201的第二端连接，第四电阻r4的第二端、第五电容c5的第一端、第六电容c6的第二端与多路复用模数转换器206的采样信号输入端的负极连接，第四电容c4的第二端、第五电容c5的第二端接地。
[0098]
在具体实施中，第四电容c4的电容值和第五电容c5的电容值相等，第六电容c6的电容值是第四电容c4的电容值(或第五电容c5的电容值)的十倍。
[0099]
实施例六
[0100]
基于上述实施例，通过ad7124-8内部的基准电压检测标志位，可以进行热电阻201的第一接线端e和热电阻201的第三接线端c的断线检测。具体地，若基准电压降至0.7v以下或者输入开路，ad7124-8会检测到不再具有有效的基准电压，“0_def_err”位设置为1，状态寄存器中的err位也会置1。此时，即可判断热电阻201的第一接线端e和热电阻201的第三接线端c断线；否则热电阻201的第一接线端e和热电阻201的第三接线端c连接正常。
[0101]
此外，将ad7124-8的模数转换器配置为双极性工作模式，当采集结果为0时，可以确定热电阻201的第二接线端s断线。
[0102]
具体地，当模数转换器配置为双极性工作模式时，输出数值为偏移二进制码，负满量程电压对应的码值为0，零差分输入电压对应的码值为2
23
，正满量程输入电压对应的码值为2
24-1。
[0103]
任意模拟输入电压的输出码可以表示为：
[0104]
code＝2
n-1
×
[(ain
×
gain/v
ref
) 1]；
[0105]
其中，n＝24，ain为模拟输入电压，gain为增益设置(1至128)。
[0106]
在如图4所示的电路中，设计最大测量电阻为4.7kω，各个参数可以设置如下：
[0107]avdd
＝3.3v，r
ref
＝4.7kω，i1＝i2＝250ua，r
return
＝0.47kω，r
rtd
取最大测量值为4.7kω。
[0108]
如果热电阻201的第二接线端s断开，此时vain2的电压为av
dd
，v
ref
、v
rtd
电压计算如下：
[0109]vref
＝i1
×rref
＝0.2
×
4.7＝1.17v
[0110]vrtd
＝v
ain1-v
ain2
＝i1
×
(r
rtd
r
return
)-3.3＝0.25
×
(4.7 0.47)-3.3＝-2.0v《-v
ref
[0111]
显然，此时采集电压信号处于负满量程，因此采集结果为0。
[0112]
而在如图5所示的电路中，设计采集最大电阻为4.2k，各个参数可以设置如下：
[0113]avdd
＝3.3v，r
ref
＝2.2kω，i1＝i2＝250ua，r
return
＝0.47kω，r
rtd
取最大测量值为4.2kω。
[0114]vref
＝i1×rref
＝0.25
×
2.2＝0.55v
[0115]vrtd
＝v
ain1-v
ain2
＝i1
×
(r
rtd
r
ref
r
return
)-3.3＝0.25
×
(4.2 2.2 0.47)-3.3＝-1.58v《-v
ref
；
[0116]
显然，此时采集电压信号处于负满量程，因此采集结果为0。
[0117]
基于上述推导可以看到，应用本技术实施例提供的热电阻测量装置，只需根据寄存器标志位及采集结果即可进行热电阻201的断线检测，无需额外开销。
[0118]
以上对本技术所提供的一种热电阻测量装置进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明都是与其它实施例的不用之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0119]
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。
[0120]
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列的要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。