专利名称：一种单恒流源多通道热电阻测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种热电阻测量系统，尤其是一种宽测量范围的单恒流源多通道热电阻测量系统。
背景技术：
在工业生产中，热电阻作为感温元件经常被应用于对温度测量精度要求比较高的场合。常用的热电阻类型有Cu50、Cu53、PtlO、PtlOO和PtlOOO，其中温度测量精度要求为O. 1°C时，Cu50和PtlOO应用的比较广泛，当精度要求为O. OrC时，PtlOOO的应用就比较多了。在工业生产中热电阻一般应用于中低温区的温度测量Cu50—般应用于-50°C 150°C的温度测量，对应热电阻的阻值范围是78. 48欧姆 164. 27欧姆；Ptl00测温范围是-200°C 850°C，对应的阻值范围是18. 52欧姆 390. 84欧姆；Ptl000常用的测温范围 是-50°C 300°C，对应的阻值范围是803. 063欧姆 2120. 515欧姆。现有的测温设备温度测量范围比较窄，如对于PtlOO来说，多是应用于-50°C 300°C，超过300°C的测量精度就会大大降低，更不用提单个设备既可以测量PtlOO又可以测量PtlOOO 了。目前，常用的热电阻测量方法有几种，就热电阻线制而言有二线、三线和四线法，就激励方式而言有主要有电桥法和恒流源法。热电阻的灵敏度较高，如常用PtlOO热电阻的灵敏度大约为0. 38欧姆/°C，所以在热电阻的测量中导线的电阻不能忽略。二线制无法消除线电阻对测量结果的影响，在精度要求高的场合一般不会采用；四线法可以消除线电阻的影响，但对于长距离多通道的测温系统来说多布线成本太高；三线制可以通过硬件或软件上的处理消除线电阻的影响，比四线制的实现成本低，是多通道测温系统中的常用选择。在三线制热电阻测量中，电桥法虽然能够消除线电阻的影响但测量范围较窄，因此恒流源三线法是目前常用的测温方法。在多通道热电阻测量系统中，经常使用多恒流源(一个通道使用一个恒流源)或双恒流源的测量方法。其中，多恒流源法的实现成本高，且不同恒流源间的离散性会给测量结果带来额外的误差；双恒流源法对恒流源的对称性要求较高，且切换电路较为繁琐，会占用较大的电路板面积。
发明内容本发明针对以上问题，提出了一种多通道热电阻测量系统中的单恒流源应用方案，在多通道三线制热电阻测量应用中，利用一种双档恒流源扩展了温度测量范围，利用单恒流源降低了方案实现成本，使用一组切换开关实现多测量通道的切换，并在通道切换的基础上引用基准通道的测量解决了双恒流源对称性要求高的难题并避免了普通热电阻测量系统生产过程中调零电阻带来的麻烦。本实用新型所采用的技术方案是一种单恒流源多通道热电阻测量系统，包括恒流源电路、基准电阻采样电路和热电阻测量电路；所述恒流源电路的输出端分别连接基准电阻采样电路的电流输入端和热电阻测量电路的输入端；热电阻测量电路的基准电压电压输入端连接所述基准电阻采样电路的电压输出端；所述热电阻测量电路的输出端即为被测电阻Rtdx的测量端；其特征是所述热电阻测量电路包括相同的且相互并联的多个；所述恒流源电路包括双档基准电压源电路；所述的双档基准电压源电路包括电阻R1、R2、R3和R4、稳压管Zl和双向开关U1A、UlB ;电阻R2、R3和R4先依次串联在一起后，再与稳压管Zl并联，稳压管Zl的阴极端连接R2，Zl的阳极端连接R4 ;所述电阻Rl的一端连接供电电源AVCC端，另一端连接稳压管Zl的阴极端；所述双向开关UlA的一端连接电阻R2和R3之间，另一端为输出信号AVCC2端，UlA的开关控制端为SI ;双向开关UlA的另一端连接电阻R4和R3之间，另一端为输出信号AVCC2端，UlB的开关控制端为S2 ；S1端和S2端不同时为选通；所述稳压管Zl的阴极端连接其工作电源AVCCl端，Zl的阳极端接地；所述的恒流源电路包括电阻R5、R6和R7、运放OPl和三极管Ql ;电阻R7的一端连 接供电电源AVCC端，另一端连接三极管Ql的发射极；电阻R5的一端连接Ql的发射极，另一端连接运放OPl的负输入端，OPl的正输入端连接所述输出信号AVCC2端；运放OPl的输出端通过电阻R6连接三极管Ql的集电极；三极管Ql的集电极作为本恒流源电路的电流输出端。所述热电阻测量电路中的任一个为单通道热电阻切换电路；对于任一个单通道热电阻切换电路，包括电阻RAx、RBx, RCx、RDx, REx, RFx和RGx，双路切换开关UAx和UBx，以及单路切换开关UCx ;所述UAx对应测量通道B，UBx对应测量通道C，UCx对应测量通道A ；所述单路切换开关UCx是光耦继电器，其第1、2引脚分别为光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第4、6引脚为对应的输出端；所述双路切换开关UAx和UBx是相同的，且它们都是由两个光耦继电器构成，对于任一双路切换开关，其第1、2引脚分别为第一光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第7,8引脚为对应的输出端;第3、4引脚分别为第二光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第5、6引脚为对应的输出端；所述UCx的第2引脚分别连接所述UAx和UBx的第4引脚，且连接通道选择信号CSx 端；所述UCx的第I引脚通过电阻RFx连接电源VCC端；所述UAx的第I引脚通过电阻RGx连接VCC端；所述UBx的第I引脚作为测量通道B选择引脚连接相应选择信号，UBx的第3引脚作为测量通道C选择引脚连接相应选择信号；所述UAx的第6引脚连接基准电阻的采样电压，第4引脚通过电阻RAx连接被测热电阻Rtdx的一端，构成测量通道A ；所述UAx的第7引脚连接恒流源的电流输出端，第8引脚通过电阻RAx连接被测热电阻Rtdx的一端，即连接到测量通道A ;所述UAx的第5引脚接地，第6引脚通过电阻RCx连接被测热电阻Rtdx的另一端，构成测量通道B;所述UBx的第7引脚连接基准电阻的采样电压，第8引脚通过电阻RDx连接被测热电阻Rtdx的另一端，即连接到测量通道B ；[0022]所述UBx的第6引脚连接基准电阻的采样电压，第5引脚通过电阻REx连接被测热电阻Rtdx的另一端，构成测量通道C。所述基准电阻采样电路是基准电阻切换电路，它包括电阻R8、R9、RlO和R0，两个双路切换开关USl和US2;所述电阻RO是基准电阻；双路切换开关USl和US2是相同的，且它们都是由两个光率禹继电器构成，对于任一双路切换开关，其第1、2引脚分别为第一光稱继电器的发光管的阳极端和阴极端，第7、8引脚为对应的输出端；第3、4引脚分别为第二光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第5、6引脚为对应的输出端；所述电阻RO的一端连接双路切换开关USl的第5引脚和US2的第7引脚，另一端连接USl的第7引脚和US2的第5引脚；所述USl的第6引脚为恒流源输入端；电阻RlO的一端接USl的第8引脚，另一端连接模拟地AGND ；所述US2的第8引脚和US2的第6引脚作为RO电阻上电压采样引脚，供后继模拟量采样电路使用；所述电阻R8的一端连接电源VCC端，另一端连接USl的第I引脚;US1的第2引脚和USl的第3引脚短接在一起，USl的第4引脚为选择信号S5输入端；电阻R9 —端连接电源VCC端，另一端连接US2的第I引脚，US2的第2引脚和US2的第3引脚短接在一起，US2的第4引脚为选择信号S5输入端。与现有技术相比本实用新型的技术方案避免了在三线制热电阻测量系统时搭建双恒流源电路所遇到的器件对称性问题，解决了热电阻测量范围小的问题，同时也解决了调零电阻带来的麻烦。总的来说，本方案扩展了多通道热电阻的测量范围，同时提高了多通道热电阻测量的稳定性和可靠性，能应用于电力、化工、冶金、印染、制药和供热等多种行业的温度测量，具有很强的实用性。
图I本实用新型的双档基准电压源电路图；图2本实用新型的恒流源电路图；图3本实用新型的双档恒流源电路图；图4本实用新型的多通道热电阻电阻切换电路图；图5本实用新型的基准切换电路图。
具体实施方式
一种单恒流源多通道热电阻测量系统，包括恒流源电路、基准电阻采样电路和热电阻测量电路；所述恒流源电路的输出端分别连接基准电阻采样电路的电流输入端和热电阻测量电路的输入端；热电阻测量电路的基准电压电压输入端连接所述基准电阻采样电路的电压输出端；所述热电阻测量电路的输出端即为被测电阻Rtdx的测量端；其特征是所述热电阻测量电路包括相同的且相互并联的多个；所述恒流源电路包括双档基准电压源电路；所述的双档基准电压源电路包括电阻R1、R2、R3和R4、稳压管Zl和双向开关U1A、UlB ;电阻R2、R3和R4先依次串联在一起后，再与稳压管Zl并联，稳压管Zl的阴极端连接R2，Zl的阳极端连接R4 ;所述电阻Rl的一端连接供电电源AVCC端，另一端连接稳压管Zl的阴极端；所述双向开关UlA的一端连接电阻R2和R3之间，另一端为输出信号AVCC2端，UlA的开关控制端为SI ;双向开关UlA的另一端连接电阻R4和R3之间，另一端为输出信号AVCC2端，UlB的开关控制端为S2 ；S1端和S2端不同时为选通；所述稳压管Zl的阴极端连接其工作电源AVCCl端，Zl的阳极端接地；所述的恒流源电路包括电阻R5、R6和R7、运放OPl和三极管Ql ；电阻R7的一端连接供电电源AVCC端，另一端连接三极管Ql的发射极；电阻R5的一端连接Ql的发射极，另一端连接运放OPl的负输入端，OPl的正输入端连接所述输出信号AVCC2端；运放OPl的输出端通过电阻R6连接三极管Ql的集电极；三极管Ql的集电极作为本恒流源电路的电流输出端。所述热电阻测量电路中的任一个为单通道热电阻切换电路；对于任一个单通道热电阻切换电路，包括电阻RAx、RBx, RCx、RDx, REx, RFx和RGx，双路切换开关UAx和UBx，以及单路切换开关UCx ;所述UAx对应测量通道B，UBx对应测量通道C，UCx对应测量通道A ；所述单路切换开关UCx是光耦继电器，其第1、2引脚分别为光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第4、6引脚为对应的输出端； 所述双路切换开关UAx和UBx是相同的，且它们都是由两个光耦继电器构成，对于任一双路切换开关，其第1、2引脚分别为第一光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第7,8引脚为对应的输出端;第3、4引脚分别为第二光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第5、6引脚为对应的输出端；所述UCx的第2引脚分别连接所述UAx和UBx的第4引脚，且连接通道选择信号CSx 端；所述UCx的第I引脚通过电阻RFx连接电源VCC端；所述UAx的第I引脚通过电阻RGx连接VCC端；所述UBx的第I引脚作为测量通道B选择引脚连接相应选择信号，UBx的第3引脚作为测量通道C选择引脚连接相应选择信号；所述UAx的第6引脚连接基准电阻的采样电压，第4引脚通过电阻RAx连接被测热电阻Rtdx的一端，构成测量通道A ；所述UAx的第7引脚连接恒流源的电流输出端，第8引脚通过电阻RAx连接被测热电阻Rtdx的一端，即连接到测量通道A ;所述UAx的第5引脚接地，第6引脚通过电阻RCx连接被测热电阻Rtdx的另一端，构成测量通道B;所述UBx的第7引脚连接基准电阻的采样电压，第8引脚通过电阻RDx连接被测热电阻Rtdx的另一端，即连接到测量通道B ；所述UBx的第6引脚连接基准电阻的采样电压，第5引脚通过电阻REx连接被测热电阻Rtdx的另一端，构成测量通道C。所述基准电阻采样电路是基准电阻切换电路，它包括电阻R8、R9、RlO和R0，两个双路切换开关USl和US2 ；所述电阻RO是基准电阻；双路切换开关USl和US2是相同的，且它们都是由两个光率禹继电器构成，对于任一双路切换开关，其第1、2引脚分别为第一光稱继电器的发光管的阳极端和阴极端，第7、8引脚为对应的输出端；第3、4引脚分别为第二光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第5、6引脚为对应的输出端；所述电阻RO的一端连接双路切换开关USl的第5引脚和US2的第7引脚，另一端连接USl的第7引脚和US2的第5引脚；所述USl的第6引脚为恒流源输入端；电阻RlO的一端接USl的第8引脚，另一端连接模拟地AGND ；所述US2的第8引脚和US2的第6引脚作为RO电阻上电压采样引脚，供后继模拟量采样电路使用； 所述电阻R8的一端连接电源VCC端，另一端连接USl的第I引脚;US1的第2引脚和USl的第3引脚短接在一起，USl的第4引脚为选择信号S5输入端；电阻R9 —端连接电源VCC端，另一端连接US2的第I引脚，US2的第2引脚和US2的第3引脚短接在一起，US2的第4引脚为选择信号S5输入端。
以下结合附图与具体实施方式
对本技术方案进一步说明如下双档基准电压源电路如图I所示。其中，R2-R4三个电阻串联在一起与稳压管Zl并联后再与Rl串联，组成二级分压电路第一级分压电路由Rl串联Zl组成，将供电电源AVCC与AGND之间的电压稳定至稳压管Zl的工作电压AVCCl ;第二级分压电路由R2、R3和R4串联后并在Zl两端实现对AVCCl的分压。两个双向开关UlA和UlB分别通过信号SI和S2来选取电阻R3两端的电压(SI和S2不可同时选通)，输出信号为AVCC2，从而形成双档基准电压源电路。Rl可以根据AVCC与AVCCl间的压差选取阻值和功率，可以选取对精度和温度系数要求不高的普通电阻；而R2、R3和R4需要精度相对高一些的低温漂电阻，这三个电阻的阻值比例根据所设计的两档恒流源电流大小选取。恒流源电路原理如图2所示。其中，运放OPl引入负反馈将Ql的发射极电压稳定在AVCC2左右，此时恒流源I=(AVCC-AVCC2)/R7，R7的大小要根据AVCC2及所设计的恒流源大小选取，R7最好选择低温漂电阻。此恒流源电路与双档基准电压源电路联合组成的双档恒流源电路如图3所示。其中，关闭SI选通S2可以形成一个电流值较大的恒流源，用于Cu50、Cu53和PtlOO等阻值范围较小的热电阻测量；关闭S2选通SI可形成一个电流值较小的恒流源用于测量像PtlOOO这种阻值范围较大的热电阻测量。此种恒流源的精度高、负载范围宽，在PtlOO和PtlOOO的工业应用范围内完全能保证有效的精度和线性度。本例的多通道热电阻切换电路如图4所示，由多个单通道热电阻切换前路组成，单个通道的热电阻切换电路原理如图4所示，增加热电阻通道电路时只需要改变通道选择信号CSx (X为相应信道编号)即可。现以第一通道电路为例说明具体实施方式
当仅选通通道选择信号CSl时，恒流源的电流I经过UA1-7、UAI-8经过RAl流入热电阻Rtdi的A线，电流从B线流出，经电阻RCl及RA1-6和UA1-5返回模拟电源地AGND。当选通S3而断开S4时，Tl和T2两端测得的电压US=Uai^UktdAUeb=I X (r+RTD1+r)=I X (RTD1+2r)；当选通S4而断开S3时，Tl和T2两端测得的电压M=Uai^UktdP X U4_U3=2 X I X (r+RTDl) -I X (RTD1+2r) =I X Rtdi=Uetdi。由此可得，经过S3和S4的切换可以通过模数转换测得恒流源的电流I在该通道热电阻Rtdi上的压降Uktdi。在整个测量过程中，仅需要在测量该通道时才将恒流源电路及测量系统中的其它内部电路与外接热电阻建立连接，而单次模拟量测量需要的时间比较短，大概在几毫秒的数量级，这样就大大减少了外接干扰通过热电阻的ABC三根接线传到进内部电路的机会，从而在一定程度上增加了整个模拟电路的可靠性；同时也大大降低了传统热电阻采集时恒流源长时间加载在被测电阻上引起的自热性问题。在本方案中，通道切换开关UAl、UBl和UCl等选用的是光耦继电器，这为整个测量系统中的模拟电路与数字电路的电气隔离提供了可能性，从而大大提高了整个测量系统的可靠性。基准电阻切换电路如图5所示。其中，电阻RO是基准电阻，当断开所有通道的选通信号CSl CSx而选通S5时，恒流源的电流I经过US1-6、US1-5流入R0，并经过US1-7和US1-8流过保护电阻RlO返回恒流源地AGND，同时Tl和T2引脚接入后继的模拟量调理和转换电路测得基准电压Utl。因为所以Rtdx=RciXUktdxZU15由此可见不必确定具体的恒流源I的大小也可以测得热电阻Rtdx的值(X为相应信道编号)，从而计算出Rx所对应的温度值；换句话说，只要在测量热电阻Rtdx与测量基准电阻RO时将恒流源I保持一致就可以保证测量的精度，这就可以减弱对图I中电阻R2、R3和R4以及图2中电阻R7·的要求，同时也可以消弱环境温度的变化对测量精度的影响。
权利要求1.一种单恒流源多通道热电阻测量系统，包括恒流源电路、基准电阻采样电路和热电阻测量电路；所述恒流源电路的输出端分别连接基准电阻采样电路的电流输入端和热电阻测量电路的输入端；热电阻测量电路的基准电压电压输入端连接所述基准电阻采样电路的电压输出端；所述热电阻测量电路的输出端即为被测电阻Rtdx的测量端； 其特征是所述热电阻测量电路包括相同的且相互并联的多个；所述恒流源电路包括双档基准电压源电路； 所述的双档基准电压源电路包括电阻R1、R2、R3和R4、稳压管Zl和双向开关U1A、U1B ；电阻R2、R3和R4先依次串联在一起后，再与稳压管Zl并联，稳压管Zl的阴极端连接R2，Zl的阳极端连接R4 ;所述电阻Rl的一端连接供电电源AVCC端，另一端连接稳压管Zl的阴极端；所述双向开关UlA的一端连接电阻R2和R3之间，另一端为输出信号AVCC2端，UlA的开关控制端为SI ;双向开关UlA的另一端连接电阻R4和R3之间，另一端为输出信号AVCC2端，UlB的开关控制端为S2 ；S1端和S2端不同时为选通；所述稳压管Zl的阴极端连接其工作电源AVCCl端，Zl的阳极端接地； 所述的恒流源电路包括电阻R5、R6和R7、运放OPl和三极管Ql ;电阻R7的一端连接供电电源AVCC端，另一端连接三极管Ql的发射极；电阻R5的一端连接Ql的发射极，另一端连接运放OPl的负输入端，OPl的正输入端连接所述输出信号AVCC2端；运放OPl的输出端通过电阻R6连接三极管Ql的集电极；三极管Ql的集电极作为本恒流源电路的电流输出端。
2.根据权利要求I所述的一种单恒流源多通道热电阻测量系统，其特征是所述热电阻测量电路中的任一个为单通道热电阻切换电路；对于任一个单通道热电阻切换电路，包括电阻RAx、RBx、RCx、RDx、REx、RFx和RGx，双路切换开关UAx和UBx，以及单路切换开关UCx ；所述UAx对应测量通道B，UBx对应测量通道C，UCx对应测量通道A ； 所述单路切换开关UCx是光耦继电器，其第1、2引脚分别为光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第4、6引脚为对应的输出端； 所述双路切换开关UAx和UBx是相同的，且它们都是由两个光耦继电器构成，对于任一双路切换开关，其第1、2引脚分别为第一光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第7、8引脚为对应的输出端;第3、4引脚分别为第二光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第5、6引脚为对应的输出端； 所述UCx的第2引脚分别连接所述UAx和UBx的第4引脚，且连接通道选择信号CSx端; 所述UCx的第I引脚通过电阻RFx连接电源VCC端；所述UAx的第I引脚通过电阻RGx连接VCC端； 所述UBx的第I引脚作为测量通道B选择引脚连接相应选择信号，UBx的第3引脚作为测量通道C选择引脚连接相应选择信号； 所述UAx的第6引脚连接基准电阻的采样电压，第4引脚通过电阻RAx连接被测热电阻Rtdx的一端，构成测量通道A ; 所述UAx的第7引脚连接恒流源的电流输出端，第8引脚通过电阻RAx连接被测热电阻Rtdx的一端，即连接到测量通道A ； 所述UAx的第5引脚接地，第6引脚通过电阻RCx连接被测热电阻Rtdx的另一端，构成测量通道B; 所述UBx的第7引脚连接基准电阻的采样电压，第8引脚通过电阻RDx连接被测热电阻Rtdx的另一端，即连接到测量通道B ； 所述UBx的第6引脚连接基准电阻的采样电压，第5引脚通过电阻REx连接被测热电阻Rtdx的另一端，构成测量通道C。
3.根据权利要求I或2所述的一种单恒流源多通道热电阻测量系统，其特征是所述基准电阻采样电路是基准电阻切换电 路，它包括电阻R8、R9、RlO和RO，两个双路切换开关USI和 US2 ； 所述电阻RO是基准电阻；双路切换开关USl和US2是相同的，且它们都是由两个光耦继电器构成，对于任一双路切换开关，其第1、2引脚分别为第一光稱继电器的发光管的阳极端和阴极端，第7、8引脚为对应的输出端；第3、4引脚分别为第二光耦继电器的发光管的阳极端和阴极端，第5、6引脚为对应的输出端； 所述电阻RO的一端连接双路切换开关USl的第5引脚和US2的第7引脚，另一端连接USl的第7引脚和US2的第5引脚； 所述USl的第6引脚为恒流源输入端；电阻RlO的一端接USl的第8引脚，另一端连接模拟地AGND ； 所述US2的第8引脚和US2的第6引脚作为RO电阻上电压采样引脚，供后继模拟量采样电路使用； 所述电阻R8的一端连接电源VCC端，另一端连接USl的第I引脚；US1的第2引脚和USl的第3引脚短接在一起，USl的第4引脚为选择信号S5输入端；电阻R9 —端连接电源VCC端，另一端连接US2的第I引脚，US2的第2引脚和US2的第3引脚短接在一起，US2的第4引脚为选择信号S5输入端。
专利摘要一种单恒流源多通道热电阻测量系统，包括恒流源电路、基准电阻采样电路和热电阻测量电路；所述双档单恒流源电路的输出端分别连接基准电阻采样电路的电流输入端和热电阻测量电路的输入端；热电阻测量电路的基准电压电压输入端连接所述基准电阻采样电路的电压输出端；所述热电阻测量电路的输出端即为被测电阻RTDx的测量端；所述热电阻测量电路包括相同的且相互并联的多个；所述恒流源电路包括双档基准电压源电路和恒流源电路；与现有技术相比本实用新型的技术方案避免了在三线制热电阻测量系统时搭建双恒流源电路所遇到的器件对称性问题，解决了热电阻测量范围小的问题，同时也解决了调零电阻带来的麻烦。
文档编号G01K7/16GK202648823SQ20122021585
公开日2013年1月2日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者张博, 陈思宁, 陈宇彦, 王善永 申请人:南大傲拓科技江苏有限公司