一種溫度測量裝置及方法
2023-05-26 04:43:11 2
專利名稱：一種溫度測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及測控領域，尤其涉及一種溫度測量裝置及方法。
背景技術：
在工業設備或民用電器中通常需對作業對象或環境進行監控，而熱電偶是目前應用最廣泛的溫度測量組件之一。熱電偶測溫的基本原理是基於塞貝克(keback)效應，具有測溫範圍廣、構造簡單、使用方便等特點。熱電偶通常包括保護套管、工作端及自由端。其中，工作端與自由端分別由兩種不同的金屬絲組成的兩個熱電極(如銅或鐵的組合)焊接形成。熱電偶的工作端用於檢測作業對像或環境溫度，設置於待測作業環境中或與待測作業對像相接觸。熱電偶的自由端則與儀表相連。如果熱電偶的工作端與自由端存在溫度差，則工作端與自由端之間將產生電動勢，由儀表測出。然而，由熱電偶構成的測溫裝置中通常需要採用儀用放大器IC或者採用多個運放單元構建的儀用放大器對熱電偶的微弱信號進行放大，從而獲得高輸入阻抗和高共模抑制比。但是，性能再好的儀用放大器也存在一定的輸入電壓漂移(Vos)，無法具備理想特性。 另外，輸入電壓漂移會隨著環境或測量溫度而變化，即存在溫漂；且輸入電壓漂移亦會隨著運行時間而變化，即存在時漂。目前，解決上述問題的通常作法就是根據需要選用低輸入電壓漂移量的儀用放大器IC，相應將導致溫度測量裝置的成本急劇上升。
發明內容
有鑑於此，本發明要解決的技術問題是克服上述現有技術中存在的缺點和不足， 提供一種溫度測量裝置，採用軟硬體結合的方式避免使用低輸入電壓漂移的儀用放大器 IC，使用較低的成本即可實現高精度的溫度測量。本發明提供一種溫度測量裝置，包括檢測單元、運放單元、開關單元及控制單元。 其中，檢測單元，用於檢測待測溫度，並相應輸出檢測電壓。運放單元，用於接收並放大所述檢測單元輸出的檢測電壓，並相應輸出放大電壓。開關單元，連接於所述檢測單元及運放單元之間，用於控制檢測單元及運放單元間連接的導通及關閉使得所述運放單元所接收的輸入電壓分別為零及所述檢測單元輸出的檢測電壓。控制單元，用於所述控制開關單元的導通及關閉，並根據所述運放單元在所述開關單元導通及關閉時輸出的兩個放大電壓的差值計算測量溫度。作為本發明的進一步改進，所述開關模塊包括開關電路，所述開關電路由第一電晶體及第二電晶體構成。作為本發明的進一步改進，所述開關模塊包括繼電器。作為本發明的進一步改進，所述檢測單元包括熱電偶，所述熱電偶包括工作端及自由端。工作端，用於檢測溫度。自由端，用於輸出檢測電壓。
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作為本發明的進一步改進，所述熱電偶的自由端設置於恆溫環境。作為本發明的進一步改進，所述運放單元包括第一電阻、第一參考電壓、第一電容及運算放大器。所述運算放大器包括第一接腳、第二接腳、第三接腳及第四接腳。第一接腳， 用於接收所述檢測單元輸出的檢測電壓。第二接腳，經所述開關單元與所述第一接腳相連， 並經所述第一電阻與所述第一電參考電壓相連。第三接腳，與所述第一參考電壓相連。第四接腳，用於將所述運放單元輸出的放大電壓輸出所述控制單元。作為本發明的進一步改進，所述控制單元包括第二電阻、第二電容、第二參考電壓及微控制器。第二參考電壓，大於所述所述第一參考電壓。所述微控制器包括第一引腳、第二引腳、第三引腳、第四引腳及接地引腳。其中，第一引腳，用於接收所述運放單元輸出的放大電壓。第二引腳，用於連接所述第二參考電壓，並經所述第二電容接地。第三引腳，經由所述第二電阻與所述開關單元相連，用於控制所述開關單元的導通與關閉。第四引腳，用於輸出測量溫度值。接地引腳，用於接地。作為本發明的進一步改進，所述控制單元在根據所述運放單元在所述開關單元導通及關閉時輸出的兩個放大電壓的差值計算測量溫度時，對所述檢測單元進行冷端補償處理。本發明還提供了一種溫度檢測方法，包括控制單元控制檢測單元及運放單元間連接關閉；所述運放單元放大所接收的第一檢測電壓，並相應輸出第一放大電壓至所述控制單元；所述控制單元控制所述檢測單元及運放單元間連接導通；所述運放單元放大所收接收的第二檢測電壓，並相應輸出第二放大電壓至所述控制單元；及所述控制單元計算所述第一及第二放大電壓的差值，並相應得到測量溫度值。本發明所提供的溫度測量裝置及方法通過控制檢測單元及運放單元間連接的導通及關閉，利用運放單元輸出的兩個放大電壓的差值計算實際檢測溫度，消除了運算放大器輸入電壓漂移的影響。因此，本發明所提供的溫度檢測裝置及方法中只需採用普通運算放大器即可獲得不受運算放大器輸入電壓漂移影響的高精度的溫度測量結果，具有極高的性價比。
圖1是本發明提供的溫度測量裝置100的一種實施方式的電路模塊示意圖。圖2是本發明提供的溫度測量裝置100的一種實施方式的具體電路示意圖。圖3是本發明提供的溫度測量方支的一種實施方式的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和本發明的實施方式作進一步詳細說明。圖1為本發明提供的溫度測量裝置100的一種實施方式的電路模塊示意圖。如圖 1所示，溫度測量裝置100包括檢測單元110、開關單元120、運放單元130及控制單元140。 其中，檢測單元110用於檢測待測作業對像或環境的溫度，並相應輸出檢測電壓Vi。開關單元120連接於檢測單元110與運放單元130之間，用於控制檢測單元110與運放單元130 的連接的導通及關閉使得所述運放單元所接收的輸入電壓分別為零及所述檢測單元輸出的檢測電壓。運放單元130用於接收並放大檢測單元110輸出的檢測電壓Vi，並相應輸出放大電壓Vo。控制單元140用於控制開關單元120的導通及關閉，並根據運放單元130的在開關單元120導通及關閉時輸出的兩個放大電壓Vo的差值計算待測對像或環境的實際
測量溫度。圖2為本發明提供的溫度檢測裝置100的一種實施方式的具體電路示意圖。如圖 2所示，溫度測量裝置100包括檢測單元110、開關單元120、運放單元130及控制單元140。檢測單元110用於檢測待測作業對像或環境的溫度，並相應輸出檢測電壓Vi。在本實施方式中，檢測單元110由熱電偶構成。其中，熱電偶的工作端設置於待測作業環境中或與待測作業對像相接觸，用於檢測待測溫度；熱電偶的自由端用於輸出檢測電壓Vi。在本發明一種實施方式中，熱電偶的自由端設置於恆定溫度下。在本發明另一種實施方式中， 控制單元140在計算實際測量溫度時將對檢測單元110進行冷端補償處理。開關單元120連接於檢測單元110與運放單元130之間，用於控制檢測單元110 與運放單元130的連接的導通及關閉使得所述運放單元所接收的輸入電壓分別為零及所述檢測單元輸出的檢測電壓。在本實施方式中，開關單元120包括開關電路。開關電路由第一電晶體Ql及第二電晶體Q2構成，用於控制檢測單元110及運放單元120間連接的導通及關閉。當微處理器140控制第一電晶體Ql及第二電晶體Q2構成的開關電路導通時， 檢測單元110與運放單元130間的連接關閉，運放單元130接收的檢測電壓Vi為零。當微處理器140控制第一電晶體Ql及第二電晶體構成的開關電路關閉時，檢測單元110與運放單元130的連接導通，運放單元130接收的檢測單元110輸出的實際檢測電壓Vi。在本發明的其他實施方式中，開關單元120包括繼電器或其它可控開關。運放單元130用於放大檢測單元110輸出的檢測電壓Vi，並相應輸出放大電壓 Vo。在本實施方式中，運放單元130包括運算放大器Al、第一電阻R1、第一參考電壓Vrefl 及第一電容Cl。其中，運算放大器Al包括第一接腳Pl，第二接腳P2，第三接腳P3，第四接腳P4。第一接腳Pl用於接收檢測單元110的輸出電壓Vi ；第二接腳P2通過開關單元120 與第一接腳Pl相連，並經第一電阻Rl與第一電參考電壓Vrefl相連；第三接腳P3與第一參考電壓Vrefl相連；第四接腳P4用於將運放單元130輸出放大電壓Vo輸出至控制單元 140。控制單元140用於控制開關單元120的導通及關閉，並根據運放單元130的在開關單元120導通及關閉時輸出的兩個放大電壓Vo的差值計算待測對像或環境的實際測量溫度。在本實施方式中，控制單元140包括微控制器A2、第二電阻R2、第二電容C2及第二參考電壓Vref2。其中，微控制器A2包括第一引腳PI、第二引腳P2、第三引腳P3、第四引腳 P4及接地引腳GND。第一引腳Pl用於接收運放單元130輸出的放大電壓Vo ；第二引腳P2 用於連接第二參考電壓Vref2，並經由第二電容C2接地；第三引腳P3經由第二電阻R2與開關單元 120相連，用於控制開關單元120的導通與關閉；第四引腳P4用於輸出測量溫度值；接地引腳GND用於接地。其中，第二參考電壓Vref2大於第一參考電壓Vrefl。本發明所提供的溫度測量裝置100通過控制單元140控制開關單元120的導通及關閉從而根據運放單元130輸出的兩個放大電壓Vo的差值計算實際檢測溫度，消除了運算放大器輸入電壓漂移Vos的影響。因此，本發明所提供的溫度檢測裝置100中只需採用普通運算放大器即可獲得不受運算放大器輸入電壓漂移影響的高精度的溫度測量結果，具有極高的性價比。
圖3為本發明提供的溫度測量方法的一種實施方式的流程圖。步驟301 控制單元140控制所述檢測單元110及運放單元130間連接關閉。在本實施方式中，控制單元140通過開關單元120控制檢測單元110及運放單元 130間連接的導通與關閉。當控制單元140控制開關單元120導通時，檢測單元110及運放單元130間連接關閉，運放單元130所接收的第一檢測電壓Vil為零。當控制單元140控制開關單元120關閉時，檢測單元110及運放單元130間連接導通，運放單元130所接收的第二檢測電壓Vi2，即為檢測單元110輸出的實際檢測電壓。在其他實施方式中，本領域技術人員也可設置開關電路120與運放單元130的連接關係，使得開關單元120關閉時運放單元130所接收的檢測電壓為零。當開關單元120導通時，運放單元130接收檢測單元100 輸出的實際檢測電壓。步驟302 運放單元130放大所接收的第一檢測電壓Vi 1，並相應輸出第一放大電壓Vol至控制單元140。在本實施方式中，運放單元130採用反向放大模式。其中放大倍數為G，基準電壓為Vrefl，輸入電壓漂移為Vos。運放單元130輸出的第一放大電壓Vol與接收的第一檢測電壓Vil的關係如公式1所示。Vol = Vil*G + Vos*G +Vrefl(公式 1)
步驟303 控制單元140控制所述檢測單元110及運放單元130間連接導通。步驟304 運放單元130放大所收接收的第二檢測電壓Vi2，並相應輸出第二放大電壓Vo2至控制單元140。運放單元130輸出的第二放大電壓Vo2與接收的第二檢測電壓 Vi2的關係如公式2所示。Vo2 = Vi2*G + Vos*G +Vrefl(公式 2)
步驟305，控制單元140計算第一放大電壓Vol及第二放大電壓Vo2的差值，並相應得到測量溫度值。第一放大電壓Vol及第二放大電壓Vo2的差值出通過公式3得出。Vol-Vo2 |=|Vil*G + Vos*G +Vref1|-|Vi2*G + Vos*G +Vrefl Vol-Vo2 | = |Vil-Vi2|*G(公式 3)
在本實施方式中，控制單元140採用軟體方式通過查找或計算根據第一放大電壓Vol 及第二放大電壓Vo2的差值得到測量溫度值。本發明所提供的溫度測量方法，通過控制檢測單元110與運放單元130間連接的導通及關閉，利用運放單元130輸出的兩個放大電壓Vol及Vo2的差值計算實際檢測溫度的作法，消除了運放單元130輸入電壓漂移Vos的影響。因此，本發明所提供的溫度檢測方法只需採用普通運算放大器即可獲得不受運算放大器輸入電壓漂移影響的高精度的溫度測量結果，具有極高的性價比。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種溫度測量裝置，其特徵在於，包括檢測單元，用於檢測待測溫度，並相應輸出檢測電壓；運放單元，用於接收並放大所述檢測單元輸出的檢測電壓，並相應輸出放大電壓； 開關單元，連接於所述檢測單元及運放單元之間，用於控制檢測單元及運放單元間連接的導通及關閉使得所述運放單元所接收的輸入電壓分別為零及所述檢測單元輸出的檢測電壓；及控制單元，用於所述控制開關單元的導通及關閉，並根據所述運放單元在所述開關單元導通及關閉時輸出的兩個放大電壓的差值計算測量溫度。
2.根據權利要求1所述的溫度測量裝置，其特徵在於所述開關模塊包括開關電路，所述開關電路由第一電晶體及第二電晶體構成。
3.根據權利要求1所述的溫度測量裝置，其特徵在於 所述開關模塊包括繼電器。
4.根據權利要求1所述的溫度測量裝置，其特徵在於，所述檢測單元包括熱電偶，所述熱電偶包括工作端，用於檢測溫度；及自由端，用於輸出檢測電壓。
5.根據權利要求5所述的溫度測量裝置，其特徵在於，所述熱電偶的自由端設置於恆溫環境。
6.根據權利要求1所述的溫度測量裝置，其特徵在於，所述運放單元包括 第一電阻；第一參考電壓； 第一電容；及運算放大器，包括第一接腳，用於接收所述檢測單元輸出的檢測電壓；第二接腳，經所述開關單元與所述第一接腳相連，並經所述第一電阻與所述第一電參考電壓相連；第三接腳，與所述第一參考電壓相連；及第四接腳，用於將所述運放單元輸出的放大電壓輸出至所述控制單元。
7.根據權利要求6所述的溫度測量裝置，其特徵在於，所述控制單元包括 第二電阻；第二電容；第二參考電壓，大於所述所述第一參考電壓；及微控制器，包括第一引腳，用於接收所述運放單元輸出的放大電壓；第二引腳，用於連接所述第二參考電壓，並經所述第二電容接地；第三引腳，經由所述第二電阻與所述開關單元相連，用於控制所述開關單元的導通及關閉； 第四引腳，用於輸出測量溫度值；及接地引腳，用於接地。
8.根據權利要求1所述的溫度測量裝置，其特徵在於，所述控制單元在根據所述運放單元在所述開關單元導通及關閉時輸出的兩個放大電壓的差值計算測量溫度時，對所述檢測單元進行冷端補償處理。
9. 一種溫度測量方法，其特徵在於，包括 控制單元控制檢測單元及運放單元間連接關閉；所述運放單元放大所接收的第一檢測電壓，並相應輸出第一放大電壓至所述控制單元；所述控制單元控制所述檢測單元及運放單元間連接導通；所述運放單元放大所收接收的第二檢測電壓，並相應輸出第二放大電壓至所述控制單元；及所述控制單元計算所述第一及第二放大電壓的差值，並相應得到測量溫度值。
全文摘要
本發明提供一種溫度測量裝置，包括檢測單元、運放單元、開關單元及控制單元。其中，檢測單元用於檢測待測溫度，並相應輸出檢測電壓。運放單元用於接收並放大所述檢測單元的輸出電壓，並相應輸出放大電壓。開關單元連接於所述檢測單元及運放單元之間，用於控制檢測單元及運放單元間連接的導通及關閉使得所述運放單元所接收的輸入電壓分別為零及所述檢測單元輸出的檢測電壓。控制單元用於所述控制開關單元的導通及關閉，並根據所述運放單元在所述開關單元導通及關閉時輸出的兩個放大電壓的差值計算測量溫度。本發明提供的溫度測量裝置及相應提供的一種溫度測量方法，消除了運算放大器輸入電壓漂移的影響，具有極高的性價比。
文檔編號G01K7/02GK102435337SQ20111028584
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月23日 優先權日2011年9月23日
發明者李先虎 申請人:深圳和而泰智能控制股份有限公司