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      一種溫度檢測裝置及溫度檢測方法與流程

      文檔序號:11911300閱讀:486來源:國知局
      一種溫度檢測裝置及溫度檢測方法與流程

      本發(fā)明涉及信號檢測技術領域,具體地說,涉及一種溫度檢測裝置及溫度檢測方法。



      背景技術:

      在電機傳動控制領域,電機內(nèi)部的溫度主要通過負溫度系數(shù)熱敏電阻(簡稱NTC熱敏電阻)或鉑電阻(簡稱PT100電阻)進行測試,由這兩種電阻制作的溫度傳感器有著截然不同的特性。

      NTC熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而減小,從幾百千歐到幾百歐呈指數(shù)關系非線性變化。而PT100電阻的阻值隨著溫度的升高而增大,從幾十歐到幾百歐呈線性變化。因此,NTC熱敏電阻的采樣電路適合用恒壓源分壓的方式,PT100電阻的采樣電路適合用恒流源的方式。在不更改硬件電路的條件下,這兩種電阻制成的溫度傳感器的處理電路很難做到統(tǒng)一。



      技術實現(xiàn)要素:

      為解決以上問題,本發(fā)明提供了一種溫度檢測裝置及溫度檢測方法,用以統(tǒng)一NTC熱敏電阻和PT100電阻采樣電路,并實現(xiàn)兩種類型溫度傳感器的自動識別和溫度檢測。

      根據(jù)本發(fā)明的一個方面,提供了一種溫度檢測裝置,包括:

      第一電阻,其與基準電源連接;

      第二電阻,其與所述第一電阻串聯(lián),且與待測的熱敏電阻并聯(lián);

      控制模塊,采集所述第二電阻和所述熱敏電阻并聯(lián)兩端及所述第一電阻兩端的電壓信號,基于所述電壓信號計算熱敏電阻的阻值,并基于計算得到的熱敏電阻的阻值獲取待檢測溫度。

      根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,所述熱敏電阻包括PT100電阻和NTC熱敏電阻。

      根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,在所述第二電阻和所述熱敏電阻的兩端還并聯(lián)有 濾波電容,用以對輸入到所述控制模塊的電壓信號進行濾波處理。

      根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,所述控制模塊包括:

      第一采樣電路,用于對所述第一電阻兩端的電壓進行采樣;

      第二采樣電路,用于對所述第二電阻、所述熱敏電阻和所述濾波電容并聯(lián)部分兩端的電壓進行采樣;

      阻值計算電路,基于所述第一采樣電路和所述第二采樣電路輸出的電壓信號計算所述熱敏電阻和所述第二電阻的并聯(lián)阻值與所述第一電阻的阻值比例,并基于所述第一電阻和所述第二電阻的阻值計算所述熱敏電阻的阻值。

      根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,所述控制模塊還包括與所述阻值計算電路連接的判斷電路,其基于所述阻值計算電路輸出的阻值區(qū)分熱敏電阻的種類并檢測電路是否短路。

      根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,所述判斷電路基于所述第二電阻、所述熱敏電阻和所述濾波電容并聯(lián)部分兩端的阻值范圍來區(qū)分所述熱敏電阻的種類,其中,

      當所述阻值計算電路計算的阻值小于時,所述熱敏電阻為PT100電阻;

      當所述阻值計算電路計算的阻值大于時,所述熱敏電阻為NTC熱敏電阻,

      其中,b1為PT100電阻在一溫度變化范圍內(nèi)的阻值范圍中的最大值,a2為NTC熱敏電阻在同一溫度變化范圍內(nèi)的阻值范圍中的最小值,a2>b1,R2為第二電阻的阻值。

      根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,所述控制模塊還包括與所述判斷電路連接的第一阻值-溫度轉(zhuǎn)換模塊,用于對所述PT100電阻通過轉(zhuǎn)換式進行阻值和溫度轉(zhuǎn)換,所述轉(zhuǎn)換式為:

      其中,RPT100為PT100電阻的阻值,T為待檢測溫度。

      根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,所述控制模塊還包括與所述判斷電路連接的第二阻值-溫度轉(zhuǎn)換模塊,用于對所述NTC熱敏電阻通過查表方式進行阻值和溫度轉(zhuǎn)換。

      根據(jù)本發(fā)明的另一個方面,還提供了一種用于以上任一項所述溫度檢測裝置的溫度檢測方法,包括:

      獲取第一電阻和第二電阻的阻值;

      讀取第一電阻兩端的電壓信號和第二電阻及熱敏電阻并聯(lián)兩端的電壓信號;

      基于第一電阻兩端的電壓信號、第二電阻及熱敏電阻并聯(lián)兩端的電壓信號、第一電阻和第二電阻的阻值計算熱敏電阻的阻值;

      基于計算得到的熱敏電阻的阻值獲取待檢測溫度。

      根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,基于計算得到的熱敏電阻的阻值獲取待檢測溫度的步驟進一步包括:

      判斷熱敏電阻類型,當計算的阻值小于時,所述熱敏電阻為PT100電阻,當計算的阻值大于時,所述熱敏電阻為NTC熱敏電阻,其中,b1為PT100電阻在一溫度變化范圍內(nèi)的阻值范圍中的最大值,a2為NTC熱敏電阻在同一溫度變化范圍內(nèi)的阻值范圍中的最小值,a2>b1,R2為第二電阻的阻值;

      當所述熱敏電阻為PT100電阻時,通過轉(zhuǎn)換式將阻值轉(zhuǎn)換為溫度,所述轉(zhuǎn)換式為:

      其中,R2為PT100電阻的阻值,T為溫度;

      當所述熱敏電阻為NTC熱敏電阻時,通過查表方式將阻值轉(zhuǎn)換為溫度。

      本發(fā)明的有益效果:

      本發(fā)明基于第一電阻和第二電阻所在電路的阻值的比值,并帶入對應的電阻阻值可以計算出熱敏電阻的阻值,進而計算得到待測溫度,通過并聯(lián)電阻,可以將溫度傳感器的阻值限制在控制模塊的檢測范圍之內(nèi),可以兼容NTC熱敏電阻和PT100電阻兩種類型的溫度傳感器,簡化了電路設計,節(jié)省了布板空間,處理軟件也實現(xiàn)了兼容,同時具備短路檢測的功能。

      本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述,并且,部分地從說明書中變得顯而易見,或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。

      附圖說明

      為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案,下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要的附圖做簡單的介紹:

      圖1是現(xiàn)有技術中一種NTC熱敏電阻采樣電路拓撲圖;

      圖2是現(xiàn)有技術中一種PT100電阻采樣電路拓撲圖;

      圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的溫度檢測裝置結構示意圖;

      圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的溫度檢測裝置的采用電路原理示意圖;以及

      圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的采用圖3所示裝置的溫度檢測方法流程圖。

      具體實施方式

      以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式,借此對本發(fā)明如何應用技術手段來解決技術問題,并達成技術效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。需要說明的是,只要不構成沖突,本發(fā)明中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結合,所形成的技術方案均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

      不同的電機可能選用不同種類的溫度傳感器,這種差異性會造成溫度檢測電路的種類增加,系統(tǒng)的狀態(tài)增多,不利于對產(chǎn)品質(zhì)量以及成本的控制。常用的兩種溫度傳感器分別采用NTC熱敏電阻和PT100電阻制成,這兩種電阻制成的溫度傳感器具有不同的檢測原理。

      圖1所示為常用的NTC熱敏電阻采樣電路拓撲圖,NTC熱敏電阻通過恒壓源分壓的方式進行采樣。高精度的恒壓源Vref通過精密固定電阻R和NTC熱敏電阻進行分壓,分壓后的電壓值被送至MCU(微控制單元)的AD采樣端口進行采樣,然后通過MCU計算出對應的NTC熱敏電阻的阻值,通過查NTC熱敏電阻的R-T表,實現(xiàn)溫度的檢測。

      圖2所示為常用的PT100電阻采樣電路拓撲圖,恒定電流源通過PT100電阻產(chǎn)生電壓信號送至MCU的AD采樣端口進行采樣,然后通過MCU計算出對應的PT100電阻的阻值R,在MCU中通過T=(R-100)/0.385公式計算出對應的溫度值。

      對于NTC熱敏電阻的采樣電路,通常是將NTC熱敏電阻在整個溫度范圍內(nèi)分壓電路的電壓變化范圍盡可能大,使MCU的模擬量AD采樣端口滿量程采樣,以便提高溫度檢測電路的精度。NTC熱敏電阻的電阻變化范圍通常為幾十千歐到幾百歐,而PT100電阻的電阻變化范圍為幾十歐到幾百歐,因此NTC熱敏電阻的采樣電路不能應用于PT100電阻的采樣,因為AD采樣端口檢測到的電壓變化 范圍太小,設計不合理。例:某型號PT100電阻是100Ω~177Ω(對應0℃~200℃)的線性變化。NTC熱敏電阻(R(25℃)=30kΩ)是97.663kΩ~0.191kΩ(對應0℃~200℃)非線性變化。若采用5V的基準,參考電阻R為2kΩ,則0℃~200℃,NTC熱敏電阻的采樣電路采樣電壓范圍為:0.1V~4.564V,MCU模擬量AD采樣端口為滿量程采樣。PT100電阻的采樣電路采樣電壓范圍為:4.7619V~4.5935V,即整個溫度范圍內(nèi)采樣電壓變化范圍只有0.1684V,遠遠小于模擬量AD采樣端口量程(5V),設計不合理。

      對于PT100電阻的采樣電路,通常是將溫度范圍內(nèi)的PT100電阻最大值乘以恒流源的值等于或略小于MCU模擬量采樣端口采樣最大值。因為NTC熱敏電阻阻值范圍遠遠大于PT100電阻,所以NTC熱敏電阻無法使用恒流源的方式進行采樣。

      以上兩種溫度檢測電路需要產(chǎn)生恒壓源或者恒流源,恒壓源或恒流源的精度越高,采樣的溫度就越準,同時電路的成本也就越高。對于不同種類的溫度傳感器,以上兩種采樣電路不具備通用性。兩種電路的差異性將導致電路板種類的增加,不利于產(chǎn)品的統(tǒng)型和管理。

      因此,本發(fā)明提供了一種溫度檢測電路,用以統(tǒng)一NTC熱敏電阻和PT100電阻采樣電路,并實現(xiàn)兩種溫度傳感器的自動識別和檢測。如圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的溫度檢測電路的原理圖,以下參考圖3來對本發(fā)明進行詳細說明。

      該溫度檢測裝置包括第一電阻R1、第二電阻R2和控制模塊,其中,第一電阻R1與基準電源Vref連接。第二電阻R2與第一電阻R1串聯(lián)連接,并且還與一用于檢測溫度的熱敏電阻R0并聯(lián)。控制模塊采集第二電阻R2和熱敏電阻R0兩端及第一電阻R1兩端的電壓信號,并基于采集電壓信號計算熱敏電阻的阻值,并基于計算得到的熱敏電阻的阻值獲取待檢測溫度。

      在本發(fā)明中,將待測的熱敏電阻R0與第二電阻R2并聯(lián),并聯(lián)后的阻值會小于R2,從而限制了熱敏電阻R0兩端的電壓。例如,當溫度在0℃~200℃的變化范圍時,PT100電阻的阻值范圍100Ω~177Ω,并聯(lián)以合適阻值的R3后,并聯(lián)后的電阻值變化并不大。NTC熱敏電阻的阻值范圍為97.663kΩ~0.191kΩ,則在NTC熱敏電阻的兩端并聯(lián)一個第二電阻R2,就可以將NTC熱敏電阻兩端的電壓限制在R2,通過調(diào)節(jié)第二電阻R2的取值,可以使其兩端電壓范圍向PT100電阻 的阻值范圍接近。這樣,通過匹配第二電阻R2的取值,該溫度檢測裝置就可以測量阻值范圍不同并且阻值范圍差別較大的PT100電阻和NTC熱敏電阻,從而統(tǒng)一兩種熱敏電阻的采樣電路,節(jié)約制作成本,從而有利于電路板的布局,提高了電路的可靠性。

      在本發(fā)明的一個實施例中,在第二電阻R2和熱敏電阻R0的兩端還并聯(lián)有耦合電容C3,用以對輸入到控制模塊的電壓信號進行濾波處理。

      在本發(fā)明的一個實施例中,控制模塊包括第一采樣電路、第二采樣電路和阻值計算電路。其中,第一采樣電路用于對第一電阻R1兩端的電壓進行采樣;第二采樣電路用于對第二電阻R2、熱敏電阻R0和濾波電容C3并聯(lián)部分兩端的電壓進行采樣;阻值計算電路,基于第一采樣電路和第二采樣電路輸出的電壓信號計算熱敏電阻和第二電阻的并聯(lián)阻值與第一電阻的阻值比例,并基于第一電阻和第二電阻的阻值計算熱敏電阻的阻值。

      具體的,第一采樣電路與第一電阻R1并聯(lián),采集得到R1兩端的電壓為U1。第二采樣電路與第二電阻R2、熱敏電阻R0和濾波電容C3并聯(lián),采集得到并聯(lián)兩端的電壓為U2?;赨1/R1=U2/(R0//R2),由于U1、U2可以通過采樣精確計算得到,R2可以在沒有接R0時通過電路精確的采樣出來或直接通過精密萬用表測量出來,R1也可以通過精密萬用表測量出來,所以溫度傳感器的值R0可以計算出來。

      在本發(fā)明的一個實施例中,控制模塊還包括與阻值計算電路連接的判斷電路,其基于阻值計算電路輸出的阻值區(qū)分熱敏電阻的種類并檢測電路是否短路。具體的,判斷電路基于第二電阻R2、熱敏電阻R0和濾波電容C并聯(lián)部分兩端的阻值范圍來區(qū)分熱敏電阻R0的種類。設定(a1,b1)為PT100電阻的阻值范圍,b1為PT100電阻在一溫度變化范圍內(nèi)的阻值范圍中的最大值,,(a2,b2)為NTC熱敏電阻的阻值范圍,a2為NTC熱敏電阻在同一溫度變化范圍內(nèi)的阻值范圍中的最小值,并且a2>b1,說明兩種電阻的阻值范圍在設定的溫度范圍內(nèi)無重疊區(qū)域。

      由于a2>b1,a2//R2的值大于b2//R2,則在PT100電阻的阻值范圍內(nèi)的任一阻值與R2的并聯(lián)值小于等于b2//R2值,NTC熱敏電阻的阻值范圍內(nèi)的任一阻值與R2的并聯(lián)值大于等于a2//R2值。由以上分析可知,當阻值計算電路計算的阻值小于時,該熱敏電阻為PT100電阻;當阻值計算電路計算的阻值大于時,該熱敏電阻為NTC熱敏電阻。

      由以上分析可知,只要熱敏電阻在一定溫度范圍內(nèi)的阻值包括不重疊區(qū)域,就可以將不同種類的熱敏電阻區(qū)分出。

      另外,當阻值計算電路計算得到的第二電阻R2、熱敏電阻R0和濾波電容C并聯(lián)部分兩端的阻值接近0時,就可以判定該檢測電路出現(xiàn)了短路。

      由于PT100電阻和NTC熱敏電阻采用不同的方法進行阻值和溫度轉(zhuǎn)換,所以在本發(fā)明的一個實施例中,該控制模塊還包括與判斷電路連接的第一阻值-溫度轉(zhuǎn)換模塊,用于對PT100電阻通過轉(zhuǎn)換式進行阻值和溫度轉(zhuǎn)換,該轉(zhuǎn)換式為:

      其中,RPT100為PT100電阻的阻值,T為待檢測溫度。

      該控制模塊還包括與判斷電路連接的第二阻值-溫度轉(zhuǎn)換模塊,用于對NTC熱敏電阻通過查表方式進行阻值和溫度轉(zhuǎn)換。

      根據(jù)本發(fā)明的另一個方面,還提供了一種采用以上的溫度檢測裝置的溫度檢測方法,如圖4所示,該方法包括以下的幾個步驟。

      首先在步驟S110中,獲取第一電阻R1和第二電阻R2的阻值。接著在步驟S120中,將基準電源引入該裝置,讀取第一電阻R1兩端的電壓信號和第二電阻R2及熱敏電阻R0并聯(lián)兩端的電壓信號。然后在步驟S130中,基于第一電阻R1兩端的電壓信號、第二電阻R2及熱敏電阻R0并聯(lián)兩端的電壓信號、第一電阻R1和第二電阻R2的阻值計算熱敏電阻的阻值。最后在步驟S140中,基于計算得到的熱敏電阻的阻值獲取待檢測溫度。

      在本發(fā)明的一個實施例中,基于計算得到的熱敏電阻的阻值獲取待檢測溫度的步驟進一步包括判斷熱敏電阻類型和基于不同熱敏電阻類型通過不同方式獲取待測溫度的步驟。

      在判斷熱敏電阻類型步驟中,當計算的阻值小于時,熱敏電阻R0為PT100電阻,當計算的阻值大于時,熱敏電阻R0為NTC熱敏電阻,其中,(a1,b1)為PT100電阻在一溫度變化范圍內(nèi)的阻值范圍,b1為PT100電阻在一溫度變化范圍內(nèi)的阻值范圍中的最大值,(a2,b2)為NTC熱敏電阻在同一溫度變化范圍內(nèi)的阻值范圍,a2為NTC熱敏電阻在同一溫度變化范圍內(nèi)的阻值范圍中的最小值,a2>b1,R2為第二電阻的阻值;當熱敏電阻為PT100電阻時,通過轉(zhuǎn)換式(1)將阻值轉(zhuǎn)換為溫度。當熱敏電阻為NTC熱敏電阻時,通過查表方式將阻值轉(zhuǎn)換 為溫度。

      如圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的采用MAX31865芯片作為采樣電路的電路原理圖。MAX31865芯片本身可以對PT100電阻或PT1000電阻進行采樣,通過選擇外圍電阻R1的阻值來調(diào)整其檢測范圍。電阻R1需要大于檢測端口之間的R0與R2的并聯(lián)值。在本發(fā)明中以某型號PT100電阻是100Ω~177Ω(對應0℃~200℃)的線性變化。NTC熱敏電阻(R(25℃)=30kΩ)是97.663kΩ~0.191kΩ(對應0℃~200℃)非線性變化,與R3并聯(lián)的電阻值范圍為95Ω~1919.7Ω(0℃~200℃),因此R2的值選定為3kΩ,0.1W,精度為0.1%,10ppm。MAX31865芯片的測試精度為0.5℃,通過測試,其電阻的檢測精度高于0.1%。根據(jù)工程應用增加電容C3,對輸入信號進行適當?shù)臑V波。

      該MAX31865芯片采用3.3V直流電源供電,電源端口各增加一個0.1uF電容作為去耦用途,芯片通過串行通信接口與控制芯片進行數(shù)據(jù)交換,/DRDY為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號,即MAX31865芯片溫度采集及轉(zhuǎn)換是否完成的狀態(tài)信號。R2選用2kΩ,0.1W,精度均為0.1%,10ppm的電阻。以下分別對PT100電阻及NTC熱敏電阻進行檢測時的誤差分析?;诓煌妷夯鶞实牟蓸与娐?,可以靈活選擇第一電阻R1和第二電阻R2的取值。

      以MAX31865芯片為采樣電路時,首先,斷開R0,通過精密萬用表檢測R2的電阻值并固化到控制模塊的數(shù)據(jù)處理程序中,以便于后續(xù)的電路計算。精密萬用表為6位半的精度,測量2kΩ的電阻,即精確到0.01Ω,換算為PT100電阻對應的溫度即為0.03℃,可以忽略,即認為R2的電阻值是精確的。

      PT100阻值是100Ω~177Ω(對應0℃~200℃)的線性變化。通過與R2并聯(lián)后的電阻范圍為:檢測電路精度為0.1%,即誤差約等于0.177Ω,加上R2的誤差,總誤差小于0.2Ω,即0.52℃??紤]電阻及芯片極低的溫漂,PT100電阻的采樣精度可以滿足±1℃以內(nèi)。滿足工程應用要求。

      NTC熱敏電阻的阻值是97.663kΩ~0.191kΩ(對應0℃~200℃)非線性變化。通過與R3并聯(lián)后的電阻范圍為:檢測電路精度為0.1%,即小于2Ω,加上R2的誤差,總誤差也小于2Ω。為了便于說明,取R2=2.002kΩ進行電路計算和分析:若溫度每升高1℃,NTC熱敏電阻與R2并聯(lián)后的阻值之差大于2Ω,則可以認為電路的檢測精度高于1℃,計算NTC熱 敏電阻與R2在不同溫度情況下的并聯(lián)值如下表1所示。

      電阻差公式為:ΔR=Rt-5-Rt,Rt為NTC熱敏電阻在溫度t時與R2并聯(lián)電阻值。為便于說明,可近似將NTC熱敏電阻在5℃區(qū)間內(nèi)的溫度變化看成線性變化,則若溫度每升高5℃,NTC熱敏電阻與R2并聯(lián)后的阻值之差大于10Ω,則認為電路的檢測精度大于1℃同樣成立,除了溫度從0℃到5℃時阻值的變化小于10Ω,即誤差大于1℃,小于2℃,其他溫度下NTC檢測的溫度每增加5℃,阻值變化均大于10Ω,由此可知,在0℃~200℃的范圍內(nèi),本發(fā)明電路的檢測精度是高于±2℃的,完全滿足工程應用需求。

      表1

      對MAX31865芯片初始化設置,基于熱敏電阻R0種類設置保護限值,工作方式等。通過MAX31865芯片讀取R2與R0(PT100電阻或NTC熱敏電阻)的并聯(lián)值R4,若R4小于162Ω,可以判定所檢測的溫度傳感器為PT100電阻,通過控制模塊計算出R0的電阻值,再經(jīng)過計算式(1)計算出對應的溫度值;若R4大于174Ω,可以判定所檢測的溫度傳感器為NTC熱敏電阻,計算出R0的電阻值,再經(jīng)過查NTC熱敏電阻的R-T表,讀取對應的溫度值??紤]控制模塊及其他線路阻值的影響,若R4約等于0±10Ω,則可以判定檢測電路短路。

      雖然本發(fā)明所公開的實施方式如上,但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實施方式,并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術領域內(nèi)的技術人員,在不脫離本發(fā)明所公開的精神和范圍的前提下,可以在實施的形式上及細節(jié)上作任何的修改與變化,但本發(fā)明的專利保護范圍,仍須以所附的權利要求書所界定的范圍為準。

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