一種帶內(nèi)部偏置的rtd溫度測(cè)量電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路，它包括電阻式溫度探測(cè)器、激勵(lì)電流源、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、多路模擬開(kāi)關(guān)、內(nèi)部偏置模塊、ADC模塊和MCU應(yīng)用模塊，所述電阻式溫度探測(cè)器兩端與所述多路模擬開(kāi)關(guān)通道端連接，所述激勵(lì)電流源與所述多路模擬開(kāi)關(guān)第一通道端連接，所述內(nèi)部偏置模塊一端與所述多路模擬開(kāi)關(guān)最后一通道端連接，另一端接地，所述多路模擬開(kāi)關(guān)選擇端依次與所述模擬信號(hào)調(diào)理模塊、所述ADC模塊和所述MCU應(yīng)用模塊連接。本實(shí)用新型簡(jiǎn)化了RTD的模擬信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)、降低了元器件成本和生產(chǎn)校準(zhǔn)成本，并且提高了RTD在全溫度范圍下的測(cè)量精度和線性度。
【專利說(shuō)明】—種帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種兩線制、三線制和四線制的RTD溫度測(cè)量電路，通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)和內(nèi)置偏置提高溫度測(cè)量精度和線性度；特別涉及一種帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路。

【背景技術(shù)】
[0002]溫度是工業(yè)生產(chǎn)中的重要基本參數(shù)，在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)液態(tài)、蒸汽和氣體溫度的檢測(cè)是保證工藝要求、設(shè)備安全運(yùn)行以及人身安全的基本條件。在天然氣輸氣工程中，對(duì)各個(gè)輸氣站場(chǎng)的溫度測(cè)量尤為重要。使用各種溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)有著廣泛的應(yīng)用，相比熱電偶、熱敏電阻和集成硅，電阻式溫度探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱RTD)具有更好的精度(±0.01°C)和線性度(2階多項(xiàng)式或者相當(dāng)?shù)牟檎冶?，其輸出形式為電阻，因此需要一個(gè)高精度激勵(lì)電流源。
[0003]在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，溫度傳感器通常離溫度變送器或者隔離器有比較遠(yuǎn)的距離，導(dǎo)線電阻會(huì)疊加在RTD上，從而引入測(cè)量誤差。為了消除導(dǎo)線誤差，通常有兩種做法:
[0004]其一、是采用三線制，利用差分電路調(diào)理RTD兩端的電壓，如圖1所，其中導(dǎo)線電阻，由 Vout = 2*(Vetd+VEw14)-(Vrtd+VEw11+VEw14) = Vktd可知，運(yùn)算放大器(U4)輸出電壓就是RTD兩端的電壓；
[0005]其二、是采用四線制，利用雙緩沖放大電路測(cè)量RTD兩端的電壓，如圖2，其中Rl2/Rll = R14/R13 = k，RTD 兩端的電壓為 Vetd = (V4a-V4b)/(Ι+k)。
[0006]由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和需求比較復(fù)雜，RTD變送器或者隔離器基本上都集成了二線制、三線制和四線制測(cè)量電路，這些產(chǎn)品主要存在以下不足:
[0007](a)因?yàn)槿€制、四線制不能共用測(cè)量電路，僅模擬信號(hào)調(diào)理電路就需要至少四個(gè)以上高精度運(yùn)算放大器才能實(shí)現(xiàn)，電路相對(duì)復(fù)雜，元器件數(shù)量多；
[0008](b)為了避免RTD自身發(fā)熱，激勵(lì)電流一般控制在0.5到ImA左右，在被測(cè)溫度較低的時(shí)候，RTD輸出電阻小，因此激勵(lì)電流在RTD兩端產(chǎn)生的電壓比較低，特別是四線制工作模式時(shí)，如圖2，運(yùn)算放大器(U4B)的輸入電壓非常小，只有幾個(gè)mV，這對(duì)運(yùn)算放大器的擺幅要求很高，很多設(shè)計(jì)直接采用價(jià)格比較貴的軌到軌輸入輸出的運(yùn)算放大器，這也是RTD溫度變送器或者隔離器價(jià)格較高的原因之一；
[0009](c)由于二線制、三線制和四線制信號(hào)調(diào)理通道各不相同，為了保證測(cè)量精度和線性度，在生產(chǎn)的時(shí)候需要對(duì)每一個(gè)通道進(jìn)行校準(zhǔn)，生產(chǎn)成本比較高。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0010]本實(shí)用新型的目的在于提供一種帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路，簡(jiǎn)化了 RTD模擬信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)、降低了元器件成本和生產(chǎn)校準(zhǔn)成本，并且提高了 RTD在全溫度范圍下的測(cè)量精度和線性度。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案:
[0012]一種帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路，它包括電阻式溫度探測(cè)器、激勵(lì)電流源、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、多路模擬開(kāi)關(guān)、內(nèi)部偏置模塊、ADC模塊和MCU應(yīng)用模塊，所述電阻式溫度探測(cè)器兩端與所述多路模擬開(kāi)關(guān)通道端連接，所述激勵(lì)電流源與所述多路模擬開(kāi)關(guān)第一通道端連接，所述內(nèi)部偏置模塊一端與所述多路模擬開(kāi)關(guān)最后一通道端連接，另一端接地，所述多路模擬開(kāi)關(guān)選擇端依次與所述模擬信號(hào)調(diào)理模塊、所述ADC模塊和所述MCU應(yīng)用模塊連接。
[0013]進(jìn)一步的，所述多路模擬開(kāi)關(guān)采用四路模擬開(kāi)關(guān)，所述四路模擬開(kāi)關(guān)第一通道端和第二通道端與所述電阻式溫度探測(cè)器一端連接，所述四路模擬開(kāi)關(guān)第三通道端和第四通道端與所述電阻式溫度探測(cè)器另一端連接。
[0014]進(jìn)一步的，所述內(nèi)部偏置模塊包括偏置電阻，所述偏置電阻一端與所述四路模擬開(kāi)關(guān)第四通道端連接，另一端接地。
[0015]進(jìn)一步的，所述激勵(lì)電流源包括第一?第五電阻、第一運(yùn)算放大器和第二運(yùn)算放大器，所述第一電阻一端接地，另一端與所述第二電阻一端和所述第一運(yùn)算放大器反相輸入端連接，所述第二電阻另一端與所述第五電阻一端和所述第一運(yùn)算放大器輸出端連接，所述第五電阻另一端與所述第二運(yùn)算放大器同相輸入端和所述四路模擬開(kāi)關(guān)第一通道端連接，所述第二運(yùn)算放大器反相輸入端與所述第二運(yùn)算放大器輸出端和所述第四電阻一端連接，所述第四電阻另一端與所述第一運(yùn)算放大器同相輸入端和所述第三電阻一端連接，所述第三電阻另一端接基準(zhǔn)電壓，其中第五電阻為等效電阻。
[0016]進(jìn)一步的，所述模擬信號(hào)調(diào)理模塊包括第六?九電阻、第一?二電容和第三運(yùn)算放大器，所述第三運(yùn)算放大器同相輸入端與所述第八電阻一端和所述第一電容一端連接，反相輸入端與所述第六電阻一端和第七電阻一端連接，輸出端與所述第七電阻另一端和所述第九電阻一端連接，所述第九電阻另一端與所述第二電容一端和ADC模塊連接，所述第八電阻另一端與所述四路模擬開(kāi)關(guān)選擇端連接，所述第一電容另一端、所述第二電容另一端和所述第六電阻另一端均接地。
[0017]其中，多路模擬開(kāi)關(guān)由MCU應(yīng)用模塊的I/O 口控制，當(dāng)多路模擬開(kāi)關(guān)依次選通第一通道和第四通道時(shí)，為兩線制工作模式；當(dāng)多路模擬開(kāi)關(guān)依次選通第一通道、第二通道和第四通道時(shí)，為三線制工作模式；當(dāng)多路模擬開(kāi)關(guān)依次選通第二通道和第三通道時(shí)，為四線制工作模式。假定模擬信號(hào)調(diào)理模塊的通道放大倍數(shù)為n，當(dāng)多路模擬開(kāi)關(guān)依次選通第一通道、第二通道、第三通道和第四通道時(shí)，模擬信號(hào)調(diào)理模塊依次輸出為VI，V2，V3和V4。
[0018]在兩線制工作模式下，RTD兩端的電壓為:
[0019]Vetd = (V1-V4) /n (公式 I)。
[0020]在三線制工作模式下，RTD兩端的電壓為:
[0021]Vetd = (V2-V4) /n-(Vl-V2)/n (公式 2)；
[0022]其中，(Vl_V2)/n為導(dǎo)線上的壓降。
[0023]在四線制工作模式下，RTD兩端的電壓為:
[0024]Vetd = (V2-V3) /n (公式 3)。
[0025]在測(cè)量出RTD兩端的電壓后，可知RTD的輸出電阻為:
[0026]Retd = VETD/Iexcite (公式 4)；
[0027]其中，Iexcite為激勵(lì)電流，通過(guò)查表即可知道被測(cè)溫度。
[0028]本實(shí)用新型增加內(nèi)部偏置模塊后，V1、V2、V3和V4會(huì)被抬高10mV左右，對(duì)于這個(gè)輸入電壓，一般的運(yùn)算放大器都可以保證非常好的線性度和精度，只要準(zhǔn)確地測(cè)量出VI，V2,V3和V4，就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出RTD兩端的電壓，從而保證整個(gè)RTD溫度測(cè)量電路的精度和線性度。
[0029]在本實(shí)用新型的測(cè)量電路中，由于VI，V2，V3和V4由同一個(gè)模擬信號(hào)調(diào)理模塊輸出，任在何一種工作模式下，從公式1，公式2和公式3可以看出，RTD兩端的電壓都是通過(guò)VI，V2, V3和V4中的某兩個(gè)電壓相減計(jì)算得來(lái)，因此，內(nèi)部偏置模塊上的電壓會(huì)被抵消掉，從而消除偏置誤差；而增益誤差只需要在生產(chǎn)中校準(zhǔn)一次即可，而傳統(tǒng)電路需要校準(zhǔn)三次才能消除增益誤差。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果在于:通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)和內(nèi)部偏置模塊，簡(jiǎn)化了 RTD的模擬信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)、降低了元器件成本和生產(chǎn)校準(zhǔn)成本，并且提高了RTD在全溫度范圍下的測(cè)量精度和線性度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中三線制RTD信號(hào)調(diào)理電路的電路圖；
[0032]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中四線制RTD信號(hào)調(diào)理電路的電路圖；
[0033]圖3是本實(shí)用新型一較佳實(shí)施例中帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路的電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034]參閱圖3，該帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路包括電阻式溫度探測(cè)器RTD、激勵(lì)電流源101、模擬信號(hào)調(diào)理模塊102、四路模擬開(kāi)關(guān)103、內(nèi)部偏置模塊104、ADC模塊ADC和MCU應(yīng)用模塊MCU ；ADC模塊ADC與MCU應(yīng)用模塊MCU連接；
[0035]四路模擬開(kāi)關(guān)103第一通道端和第二通道端與電阻式溫度探測(cè)器RTD —端連接，四路模擬開(kāi)關(guān)103第三通道端和第四通道端與電阻式溫度探測(cè)器RTD另一端連接，其中，電阻式溫度探測(cè)器RTD與四路模擬開(kāi)關(guān)103所接導(dǎo)線的電阻分別為線阻Rwl、線阻Rw2、線阻Rw3和線阻Rw4 ；
[0036]內(nèi)部偏置模塊104包括偏置電阻Roffset,偏置電阻Roffset —端與四路模擬開(kāi)關(guān)103第四通道端連接，另一端接地；
[0037]激勵(lì)電流源101包括第一?第五電阻、第一運(yùn)算放大器Ul和第二運(yùn)算放大器U2，第一電阻Rl —端接地，另一端與第二電阻R2 —端和第一運(yùn)算放大器Ul反相輸入端連接，第二電阻R2另一端與第五電阻R5 —端和第一運(yùn)算放大器Ul輸出端連接,第五電阻R5另一端與第二運(yùn)算放大器U2同相輸入端和四路模擬開(kāi)關(guān)103第一通道端連接，第二運(yùn)算放大器U2反相輸入端與第二運(yùn)算放大器U2輸出端和第四電阻R4 —端連接，第四電阻R4另一端與第一運(yùn)算放大器Ul同相輸入端和第三電阻R3 —端連接，第三電阻R3另一端接基準(zhǔn)電壓 Vref ；
[0038]模擬信號(hào)調(diào)理模塊102包括第六?九電阻、第一?二電容和第三運(yùn)算放大器U3，第三運(yùn)算放大器U3同相輸入端與第八電阻R8 —端和第一電容Cl 一端連接,反相輸入端與第六電阻R6 —端和第七電阻R7 —端連接,輸出端與第七電阻R7另一端和第九電阻R9 —端連接，第九電阻R9另一端與第二電容C2 —端和ADC模塊ADC連接，第八電阻R8另一端與四路模擬開(kāi)關(guān)103選擇端連接，第一電容Cl另一端、第二電容C2另一端和第六電阻R6另一端均接地；
[0039]其中，四路模擬開(kāi)關(guān)103由MCU應(yīng)用模塊MUC的I/O 口控制，當(dāng)四路模擬開(kāi)關(guān)103依次選通第一通道I和第四通道2時(shí)，為兩線制工作模式；當(dāng)四路模擬開(kāi)關(guān)103依次選通第一通道1、第二通道2和第四通道4時(shí)，為三線制工作模式；當(dāng)四路模擬開(kāi)關(guān)103依次選通第二通道2和第三通道3時(shí)，為四線制工作模式。假定模擬信號(hào)調(diào)理模塊102的通道放大倍數(shù)為n，當(dāng)四路模擬開(kāi)關(guān)103依次選通第一通道1、第二通道2、第三通道3和第四通道4時(shí)，模擬信號(hào)調(diào)理模塊102依次輸出為VI，V2，V3和V4。
[0040]在兩線制工作模式下，電阻式溫度探測(cè)器RTD兩端的電壓為:
[0041]Vetd = (V1-V4) /n (公式 I)。
[0042]在三線制工作模式下，電阻式溫度探測(cè)器RTD兩端的電壓為:
[0043]Vetd = (V2-V4)/n-(Vl_V2)/n (公式 2)；
[0044]其中，(Vl_V2)/n為導(dǎo)線上的壓降。
[0045]在四線制工作模式下，電阻式溫度探測(cè)器RTD兩端的電壓為:
[0046]Vetd = (V2-V3) /n (公式 3)。
[0047]在測(cè)量出RTD兩端的電壓后，可知電阻式溫度探測(cè)器RTD的輸出電阻為:
[0048]Retd = VETD/Iexcite (公式 4)；
[0049]其中，Iexcite為激勵(lì)電流，通過(guò)查表即可知道被測(cè)溫度。
[0050]以上僅是本實(shí)用新型的具體應(yīng)用范例，對(duì)本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路，其特征在于，它包括電阻式溫度探測(cè)器、激勵(lì)電流源、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、多路模擬開(kāi)關(guān)、內(nèi)部偏置模塊、ADC模塊和MCU應(yīng)用模塊，所述電阻式溫度探測(cè)器兩端與所述多路模擬開(kāi)關(guān)通道端連接，所述激勵(lì)電流源與所述多路模擬開(kāi)關(guān)第一通道端連接，所述內(nèi)部偏置模塊一端與所述多路模擬開(kāi)關(guān)最后一通道端連接，另一端接地，所述多路模擬開(kāi)關(guān)選擇端依次與所述模擬信號(hào)調(diào)理模塊、所述ADC模塊和所述MCU應(yīng)用模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路，其特征在于，所述多路模擬開(kāi)關(guān)采用四路模擬開(kāi)關(guān)，所述四路模擬開(kāi)關(guān)第一通道端和第二通道端與所述電阻式溫度探測(cè)器一端連接，所述四路模擬開(kāi)關(guān)第三通道端和第四通道端與所述電阻式溫度探測(cè)器另一端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路，其特征在于，所述內(nèi)部偏置模塊包括偏置電阻，所述偏置電阻一端與所述四路模擬開(kāi)關(guān)第四通道端連接，另一端接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路，其特征在于，所述激勵(lì)電流源包括第一?第五電阻、第一運(yùn)算放大器和第二運(yùn)算放大器，所述第一電阻一端接地，另一端與所述第二電阻一端和所述第一運(yùn)算放大器反相輸入端連接，所述第二電阻另一端與所述第五電阻一端和所述第一運(yùn)算放大器輸出端連接，所述第五電阻另一端與所述第二運(yùn)算放大器同相輸入端和所述四路模擬開(kāi)關(guān)第一通道端連接，所述第二運(yùn)算放大器反相輸入端與所述第二運(yùn)算放大器輸出端和所述第四電阻一端連接，所述第四電阻另一端與所述第一運(yùn)算放大器同相輸入端和所述第三電阻一端連接，所述第三電阻另一端接基準(zhǔn)電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶內(nèi)部偏置的RTD溫度測(cè)量電路，其特征在于，所述模擬信號(hào)調(diào)理模塊包括第六?九電阻、第一?二電容和第三運(yùn)算放大器，所述第三運(yùn)算放大器同相輸入端與所述第八電阻一端和第一電容一端連接，反相輸入端與所述第六電阻一端和所述第七電阻一端連接，輸出端與所述第七電阻另一端和所述第九電阻一端連接，所述第九電阻另一端與所述第二電容一端和ADC模塊連接，所述第八電阻另一端與所述四路模擬開(kāi)關(guān)選擇端連接，所述第一電容另一端、所述第二電容另一端和所述第六電阻另一端均接地。
【文檔編號(hào)】G01K7/16GK203929264SQ201420363771
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】劉中, 凡冬青, 錢誠(chéng) 申請(qǐng)人:魏德米勒電聯(lián)接（上海）有限公司