一种用于远距离传输的三线制热电阻温度采样电路及方法与流程

1.本发明涉及温度检测技术领域，更具体的说是涉及一种用于远距离传输的三线制热电阻温度采样电路及方法。


背景技术：

2.随着工业化的快速发展，关于温度传感器的产品已经遍及我们的日常生活，但人们对温度测量精度的要求日益提高，是否具有一个好的温度采样电路，是评判温度检测产品好坏的一个重要标准；
3.热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，热电阻测量精度高,可用作标准仪器,广泛用于生产过程各种介质的温度测量。pt100是铂热电阻，铂电阻传感器精度高，稳定性好，温度测量范围广，是目前精度较高的温度传感器。
4.三线制平衡电桥法在热电阻测量中应用广泛，但存在无法通过调零电路消除传感器引线电阻引起测量误差的问题。而在某些特殊工况中用热电阻安装在生产现场，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上，与控制室之间存在一定的距离(连接导线的电阻率约为0.1～0.5ω/m)，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响(pt100热电阻的灵敏度约为0.38ω/℃)，当引线几十米长时，引线电阻达到ω级电阻时，就会带来10多度的偏差。
5.因此，如何提供一种精度高且能够用于远距离传输的温度传感器的温度采样电路及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种用于远距离传输的三线制热电阻温度采样电路及方法，用于解决三线制平衡电桥法在热电阻测量中无法消除传感器引线电阻引起测量误差的问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种用于远距离传输的高精度三线制热电阻温度采样电路，其中三线制热电阻包括热电阻rt以及与其相连的三根导线分别记为r1、r2和r3，包括：精密恒压源电路、恒压分压式采样电路、同相放大器电路和a/d转换模块；
9.所述精密恒压源电路中依次包括稳压芯片、运算放大器u2a和运算放大器u2b，且所述精密恒压源电路的输出分别与三线制热电阻中的一根导线r1和所述a/d转换模块相连用于供电；
10.所述恒压分压式采样电路包括电阻r4，所述同相放大器电路包括运算放大器u3a和运算放大器u3b；
11.所述电阻r4一端连接参考点vref，另一端分别连接所述三线制热电阻的一根导线r2以及所述运算放大器u3a，所述三线制热电阻的另一根导线r3连接所述运算放大器u3b；在所述恒压分压式采样电路中：
12.rt＝r4*(2*v2-v1)/(vref-v1)；
13.其中，v1为导线r2输出端的采样电压，v2为导线r3输出端的采样电压；
14.所述运算放大器u3a和所述运算放大器u3b的输出分别连接所述a/d转换模块。
15.优选的，所述稳压芯片的输出连接所述运算放大器u2a的正相输入端，所述运算放大器u2a的输出端连接所述运算放大器u2b的正相输入端，所述运算放大器u2b的输出端连接所述参考点vref。
16.优选的，所述导线r2和所述导线r3分别对应连接所述运算放大器u3a和所述运算放大器u3b的正相输入端；所述运算放大器u3a和所述运算放大器u3b的输出端分别连接所述a/d转换模块。
17.优选的，所述稳压芯片采用tl431aidbzr，并输出2.5v稳压源。
18.优选的，所述a/d转换模块位于所述mcu中。
19.一种用于远距离传输的三线制热电阻温度采样方法，包括以下步骤：
20.s1.输出稳压源，并经过放大和滤波后得到恒压源，实现供电；
21.s2.将三线制热电阻接入恒压分压式采样电路，获取采样电压v1和v2，其中，接入方法为：将电阻r4一端连接参考点vref，另一端连接所述三线制热电阻的一根导线r2并输出采样电压v1至所述运算放大器u3a，所述三线制热电阻的另一根导线r3输出采样电压v2至所述运算放大器u3b，通过导线r1供电；
22.s3.将所述v1和所述v2经过放大后的模拟信号转换为数字信号，根据所述v1和所述v2的值获得rt，其中：
23.rt＝r4*(2*v2-v1)/(vref-v1)。
24.优选的，s1中，稳压芯片输出的稳压源输出至所述运算放大器u2a的正相输入端，进行放大后输出至所述运算放大器u2b的正相输入端，进行滤波后得到精密的恒压源。
25.优选的，s2中，将所述v1和所述v2分别对应输入至所述运算放大器u3a和所述运算放大器u3b的正相输入端，进行放大后分别输入所述a/d转换模块进行模数转换。
26.优选的，通过稳压芯片tl431aidbzr输出2.5v稳压源。
27.优选的，通过mcu完成rt的计算。
28.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于远距离传输的高精度三线制热电阻温度采样电路及方法，通过恒压分压式采样电路进行热电阻电压采样，消除了导线电阻r对测量精度的影响，解决了三线制平衡电桥法在热电阻测量中无法消除传感器引线电阻引起测量误差的问题，特别是在长距离引线测温电路中应用优势更明显，并且本发明通过精密恒压源电路产生基准电压源分别给热电阻和adc基准电压外部输入进行供电，减小了不同基准源之间的时漂与温漂的影响，提高了温度测量的精度，具有通用性好，成本低、可靠性高、原理简单的特点。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
30.图1附图为本发明提供的一种用于远距离传输的高精度三线制热电阻温度采样电路的系统框图；
31.图2附图为本发明实施例提供的一种用于远距离传输的高精度三线制热电阻温度采样电路中精密恒压源电路原理图；
32.图3附图为本发明实施例提供的一种用于远距离传输的高精度三线制热电阻温度采样电路中恒压分压式采样电路、同相放大器电路和a/d转换模块的电路原理图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明实施例公开了一种用于远距离传输的高精度三线制热电阻温度采样电路，其中三线制热电阻包括热电阻rt以及与其相连的三根导线分别记为r1、r2和r3，如图1-3所示，包括：精密恒压源电路、恒压分压式采样电路、同相放大器电路和a/d转换模块；
35.精密恒压源电路中依次包括稳压芯片、运算放大器u2a和运算放大器u2b，且精密恒压源电路的输出分别与三线制热电阻中的一根导线r1和a/d转换模块相连用于供电；
36.恒压分压式采样电路包括电阻r4，同相放大器电路包括运算放大器u3a和运算放大器u3b；
37.电阻r4一端连接参考点vref，另一端分别连接三线制热电阻的一根导线r2以及运算放大器u3a，三线制热电阻的另一根导线r3连接运算放大器u3b；在恒压分压式采样电路中：
38.rt＝r4*(2*v2-v1)/(vref-v1)；
39.其中，v1为导线r2输出端的采样电压，v2为导线r3输出端的采样电压；
40.运算放大器u3a和运算放大器u3b的输出分别连接a/d转换模块。
41.为了进一步实施上述技术方案，稳压芯片的输出连接运算放大器u2a的正相输入端，运算放大器u2a的输出端连接运算放大器u2b的正相输入端，运算放大器u2b的输出端连接参考点vref。
42.为了进一步实施上述技术方案，导线r2和导线r3分别对应连接运算放大器u3a和运算放大器u3b的正相输入端；运算放大器u3a和运算放大器u3b的输出端分别连接a/d转换模块。
43.为了进一步实施上述技术方案，稳压芯片采用tl431aidbzr，并输出2.5v稳压源。
44.为了进一步实施上述技术方案，a/d转换模块位于mcu中。
45.一种用于远距离传输的三线制热电阻温度采样方法，包括以下步骤：
46.s1.输出稳压源，并经过放大和滤波后得到恒压源，实现供电；
47.s2.将三线制热电阻接入恒压分压式采样电路，获取采样电压v1和v2，其中，接入方法为：将电阻r4一端连接参考点vref，另一端连接三线制热电阻的一根导线r2并输出采样电压v1至运算放大器u3a，三线制热电阻的另一根导线r3输出采样电压v2至运算放大器u3b，通过导线r1供电；
48.s3.将v1和v2经过放大后的模拟信号转换为数字信号，根据v1和v2的值获得rt，其中：
49.rt＝r4*(2*v2-v1)/(vref-v1)。
50.为了进一步实施上述技术方案，s1中，稳压芯片输出的稳压源输出至运算放大器u2a的正相输入端，进行放大后输出至运算放大器u2b的正相输入端，进行滤波后得到精密的恒压源。
51.为了进一步实施上述技术方案，s2中，将v1和v2分别对应输入至运算放大器u3a和运算放大器u3b的正相输入端，进行放大后分别输入a/d转换模块进行模数转换。
52.为了进一步实施上述技术方案，通过稳压芯片tl431aidbzr输出2.5v稳压源。
53.为了进一步实施上述技术方案，通过mcu完成rt的计算。
54.下面将对本实施例的工作原理进行说明：
55.图2中通过稳压芯片tl431aidbzr输出2.5v稳压源，经过同相运算放大器u2a进行放大，产生3v基准电压，再通过跟随运算放大器u2b再次滤波得到精密的恒压源，分别给热电阻和mcu的adc基准电压外部输入进行供电。
56.将pt100接入恒压分压式采样电路，可以得到采样电压v1和v2。由图3可知：
57.i＝vref/(2r r4 rt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ①
58.v1＝i*(2r rt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ②
59.v2＝i*(r rt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ③
60.∵r4＝(vref-v1)/i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ④
61.rt＝(v2-ir)/i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ⑤
62.由式
②③
可得：ir＝(v1-v2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ⑥
63.∴rt＝(2*v2-v1)/i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ⑦
64.由式
④⑦
可得rt＝r4*(2*v2-v1)/(vref-v1)
ꢀꢀꢀꢀ⑧
65.由式
⑧
可知，r4和vref为已知量，欲求rt只需测出v1和v2，而与导线电阻r没有关系，且测量精度只取决于r4的精度与v1、v2的测量精度，在三线制平衡电桥法中无法消除的导线电阻误差被完全消除。由于热电阻当有电流通过时，须考虑流过热电阻的电流所引起的升温误差，所以r4阻值的选取需要合理的考量。
66.v1和v2电压信号比较微弱，经过同相运算放大器u3a和u3b进行放大。此信号为模拟信号，控制器不能直接获取，因此需经a/d转换模块将模拟信号转换成控制器能直接处理的数字信号，由mcu计算出rt值从而得到测量温度。
67.本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的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
68.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。