CN101467013A

CN101467013A - 温度测量装置和测量方法

Info

Publication number: CN101467013A
Application number: CNA2007800218071A
Authority: CN
Inventors: 王长林
Original assignee: Mettler Toledo AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2009-06-24
Also published as: JP2009544029A; US7775711B2; US20090122834A1; WO2008009676A1; JP5081239B2; CN101109662A; EP2041538A1; CN101109662B; ATE544057T1; EP2041538B1

Abstract

一种温度测量装置，包括基准电压源、三线热电阻、压降放大器、运算放大器、以及补偿电阻R₄和R₇。利用连接线以及补偿电阻R₄和R₇的阻值，输出信号S_T与热电阻R_T的阻值之间的关系形成单调函数，该单调函数与连接线的阻值无关。输出信号S_T经A/D转换后，根据已知函数可以算出R_T值和温度T。因此，在整个测量范围内和对于电缆的任何长度而言，不需要开关或跳线，就能完全补偿电线阻值的影响。

Description

温度测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于补偿连接线阻值的原理，用热电阻测量温度的装置和测量方法。

背景技术

通常用电子温度传感器来测量温度。具体而言，常用的是热电阻，即RTD(电阻温度检测器)，例如PT10、PT100、PT1000、NTC30、NTC22。这些热电阻根据的原理是，流过热电阻的电流在RTD上产生电压差，电压差与RTD的温度单调相关。

为了用RTD测量温度，将RTD放在要测量温度的位置，至少持续到RTD达到热平衡。然后将已知电流通过RTD。优选地，这个电流较小，以将因RTD材料的欧姆加热而导致的测量误差最小化。然后测量RTD两端的电压。根据已知电流和测得的电压可算出电阻，阻值与感兴趣位置的温度相关。

实际上RTD常常不易接近。例如，RTD可能深放在远离测量仪器的腐蚀性化学溶液中。所以经常要用引线将RTD连接到电压测量电路。在这种情况下，确定的电阻是RTD电阻与电线电阻(与延伸的引线相关)之和。所述电线电阻会带来测量误差，特别是对于PT10、PT100和PT1000会带来测量误差。

消除连接线电阻不利影响的一种方法是采用所谓的四线连接。一对电线只用于测量电压，而另一对电线传导测量电流。但是，这种方法要很多额外成本用于接线(wiring)。

消除连接线电阻不利影响的另一种方法是采用所谓的三线连接。根据这种方法，用三个连接线将热电阻连接到电压测量电路。第三电线有助于补偿电线电阻的影响。但是，这种三线连接方式要使用适当的电压测量电路。

建立适于进行三线方法的测量装置的常用方式是采用双恒流源。但是，这种电路的准确性在很大程度上取决于两个电流源要相同。为了避免实现两个相同电流源所带来的困难，通常优选采用单电流源的方法。

已经提出了各种方案，用于具有单恒流源的适当的电压测量电路。

例如，CN2692646描述了一种电路，具有单恒流源和运算放大器，运算放大器用作减法单元。但是，通常这种电路复杂，测量范围较小。因此，经常要调节电路和恒流源，比如开关(switching)或跳线(jumpering)，用于不同温度范围的变化或者不同类型热电阻的变化。

另一方面，简单电路只能对测量范围内有限数量的点补偿连接线的阻值的影响，而不能对整个测量范围的任何测量点进行完全的补偿。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用热电阻测量温度的方法、以及提供一种适当的温度测量装置，所述温度测量装置结构简单、测量范围大，并且能够与热电阻类型基本上无关地补偿连接线的影响、对整个常用温度测量范围用于任何阻值。

通过温度测量装置和测量方法提供了解决上述问题的技术方案，所述温度测量装置和测量方法包括独立权利要求中所述的特征。本发明的其他实施例在附加的从属权利要求中公开。

根据本发明的温度测量装置基于补偿连接线阻值的原理，所述温度测量装置包括热电阻，所述热电阻具有第一端子和第二端子，所述第一端子经由第一连接线连接到运算放大器的第一输入端，所述第二端子经由第三连接线连接到公共电势，所述第二端子还经由第二电线连接到所述运算放大器的第二输入端，所述公共电势特定为接地电势，所述运算放大器具有输出端并发出与测得的温度相关的输出信号。所述装置的特征在于：所述第二电线将所述热电阻的第二端子连接到压降放大器的输入端，所述压降放大器包括输出端，所述输出端经由第一电阻连接到所述运算放大器的第二输入端，如果合适，则所述运算放大器的第一输入端和输出端经由第二电阻相互连接。这种配置允许控制热电阻两端的电压降，因此不会出现连接线阻值的变化。因此，流过热电阻的电流与连接线的阻值无关，因此，当连接线阻值变化时，运算放大器OP1的灵敏度不会关于热电阻的阻值而变化。

本发明装置实际上是恒压激励电路而不是恒流激励电路。因此，它的优点是结构简单、测量范围很大。此外，恒压激励电路的优点是提供高度的稳定性或者提供低水平的漂移。同样的电路能够测量不同类型的热电阻(例如PT100、PT1000、NTC30)而不需要任何内部再配置(例如任意连接的开关或者任意电线的跳线)。本发明电路的这种大范围远远超过任一种常用单恒流方法或双恒流方法。

本发明的第二实施例中压降放大器具有增益，该增益大于2，特定为大于10。大于2的增益有利于在大的温度测量范围内实现电线压降的适当补偿效果。

在本发明的优选实施例中，压降放大器经由第三电阻连接到运算放大器的第一输入端。该第三电阻使得能够消除连接线阻值对运算放大器输出信号的影响。第三电阻与第一电阻一起在输出信号与热电阻RTD的阻值之间形成规定的单调函数，所述输出信号与连接线的阻值无关。为了完全补偿连接线阻值对输出信号的影响，基本上根据以下表达式来设定第三电阻R₄：

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) R_{3}

其中G是压降放大器的增益，R₃是第二电阻。

压降放大器的输出端经由第三电阻与运算放大器第一输入端的连接使得能够消除偏移量的影响，这个影响是因为经由第一电阻的连接。对电路参数特别是对第一电阻阻值和第三电阻阻值的适当选择，在输出信号与热电阻的阻值之间产生规定的单调关系，其中输出信号与连接线的阻值无关。

在本发明的另一实施例中，运算放大器的第二输入端经由第四电阻连接到基准电压源并经由第五电阻连接到接地电势。这使得能够限定热电阻的激励电压，还能够适当调整测量要求。为了完全补偿连接线阻值的影响，基本上根据以下表达式来设定第一电阻R₇的阻值：

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) \frac{1}{\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}}}

其中G是压降放大器的增益，R₅是第四电阻，R₆是第五电阻。

在本发明的替代性实施例中，运算放大器的第二输入端连接到激励电压基准(excitation voltage reference)，激励电压基准提供激励电压并包括内阻。优选地，基本上根据以下表达式来设定第一电阻的阻值：

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) R_{in}

其中G是压降放大器的增益，R_in是激励电压基准的内阻。激励电压基准是电压源，工作类似于带附接分压器的基准电压源。

在本发明另一实施例中，运算放大器的第一输入端特定为经由第六电阻连接到基准电压源。所述与电压源的连接使得能够根据任何进一步处理的要求(例如根据模数转换器的输入范围)来调节输出信号的范围。在这种情况下，为了完全补偿连接线阻值的影响，基本上根据以下表达式来设定第三电阻R₄的阻值：

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) \frac{1}{\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{3}}}

其中G是压降放大器的增益，R₁是第六电阻，R₃是第二电阻。

在本发明另一实施例中，第一连接线经由第七电阻连接到运算放大器的第一输入端。通过这个附加电阻，能够根据任何进一步处理步骤(例如模数转换)的特点来调节测量装置输出信号的范围。

在本发明的优选实施例中，运算放大器的第一输入端是反相输入端，运算放大器的第二输入端是非反相输入端。在这种构造中，运算放大器向热电阻RTD提供受控的恒定激励电压。

在本发明的优选实施例中，压降放大器是另一个运算放大器，另一个运算放大器的非反相输入端连接到第二电线，另一个运算放大器的反相输入端经由第八电阻连接到压降放大器的输出端，另一个运算放大器还经由第九电阻连接到接地电势。因此，适当选择第八电阻和第九电阻的阻值，能够容易地调节压降放大器的增益。

此外，在本发明的优选实施例中，另一个运算放大器的非反相输入端经由第十电阻连接到第二电线，并经由第十一电阻连接到接地电势。在这种情况下，本实施例只使用两条连接线，这样做的优点是消除了对接线桥(wiringbridge)的需要，接线桥将运算放大器的输入端连接到接地电势。

在本发明的优选实施例中，第一导线和第三导线优选包括相同的材料和近似相同的阻值。

根据优选实施例，运算放大器的输出信号被送到信号处理单元，信号处理单元例如是向计算单元提供数字信号并且如果合适，连接到公共的基准电压源的模数转换单元。这样就能够数字化处理温度计算。特别地，利用软件计算温度，软件包括热电阻阻值与温度之间的已知函数关系。

如果模数转换器的参考电压连接到基准电压，或者如果这两个电压为对应关系，则本发明装置对基准电压的变化不敏感，这使得能够提供高精度的测量结果。

根据本发明的温度测量方法基于补偿连接线阻值的原理并包括热电阻，所述热电阻具有第一端子和第二端子，所述第一端子经由第一连接线连接到运算放大器的第一输入端，所述第二端子经由第三连接线连接到公共电势，所述第二端子还经由第二电线连接到所述运算放大器的第二输入端，所述公共电势特定为接地电势，所述运算放大器发出与测得的温度对应的输出信号。所述温度测量方法的特征在于：所述热电阻的第二端子的信号经由所述第二电线传输到压降放大器，所述压降放大器将放大后的信号经由第一电阻发送给所述运算放大器的第二输入端，如果合适，则所述运算放大器的输出信号经由第二电阻馈入所述运算放大器的第一输入端。

在本发明的优选实施例中，热电阻第二端子的信号由所述压降放大器放大，所述压降放大器具有增益，所述增益大于2，特定为大于10。

在另一优选实施例中，所述压降放大器将放大后的信号经由第三电阻发送给所述运算放大器的第一输入端。

在另一实施例中，所述运算放大器由激励电压基准激励，所述激励电压基准提供激励电压并包括内阻。

优选地，在本发明另一实施例中，所述热电阻由激励电压驱动，所述激励电压由所述运算放大器控制。这使得能够在大的测量范围内控制并有利地将热电阻的灵敏度保持在规定的水平。

在本发明另一实施例中，优选在初始阶段和/或在校准阶段计算中间值，并将其存储下来用于进一步的计算。这样做的优点是避免了实际恒定值的重复计算。此外，优选根据以下表达式通过中间值A和B计算所述热电阻的阻值R_T：

R_{T} = \frac{B}{V_{T} - A},

或者当第一连接线经由第七电阻R₂连接到所述运算放大器的第一输入端时，根据以下表达式计算所述热电阻的阻值R_T：

R_{T} = \frac{B}{V_{T} - A} - R_{2}

其中V_T是输出信号。这样就能快速有效地计算热电阻R_T的阻值。

附图说明

下面参照附图描述本发明的特点和优点，其中：

图1示出电路图，电路图说明根据本发明第一实施例的温度测量装置的电原理，所述温度测量装置具有压降放大器和两个电阻R₁、R₂，R₁、R₂将基准电压源串联连接到第一连接线；

图2示出电路图，电路图说明图1的压降放大器的替代实施例，用运算放大器实现；

图3示出根据图1的另一实施例的电路图，但是将电阻R₂设为零；

图4示出根据图1的另一实施例的电路图，但是没有电阻R₁；

图5示出根据图4的另一实施例的电路图，但是将电阻R₂设为零；

图6示出电路图，是图2压降放大器的替代实施例，有两个附加电阻；

图7示出根据图1的另一实施例的电路图，但是具有热电阻的四线连接、微分放大器和平均放大器；以及

图8示出电路图，电路图说明根据本发明另一实施例的温度测量装置的电原理，所述温度测量装置具有激励电压源。

具体实施方式

参照图1，用于热电阻的温度测量装置包括：基准电压源1，用于提供基准电压V_r；热电阻RTD，用于测量温度T；压降放大器2，增益为G；运算放大器OP1；第一电阻R₇；第二电阻R₃；第三电阻R₄；第四电阻R₅；第五电阻R₆；第六电阻R₁；以及第七电阻R₂。运算放大器OP1的输出信号S_T(特定为V_T)被传输给模数转换单元3，进而被传输给计算单元4，用于计算温度值T。

热电阻RTD的第一端子d连接第一连接线W1，第二端子e连接第二连接线W2和第三连接线W3。

R_W1、R_W2和R_W3表示第一导线W1、第二导线W2和第三导线W3的电阻。第一导线W1、第二导线W2和第三导线W3将热电阻RTD连接到测量装置的处理部分。优选地，所述导线W1、W2、W3包括相同的材料和/或具有相同的长度，因此实际上所有三个电线的电线电阻相同，R_W1＝R_W2＝R_W3。但是，对于本发明来说只要求R_W1基本上等于R_W3。

运算放大器OP1具有反相输入端a和非反相输入端b以及提供输出电压V_T的输出端，输出电压V_T与输出信号S_T对应。运算放大器OP1的输入偏置电流极小，一般忽略不计。

压降放大器2具有输入端w和输出端c，增益为G。优选地，G大于2，通常大于10。同样地，在这种情况下，输入偏置电流极小，一般忽略不计。

图2示出本发明的替代性实施例，其中压降放大器2包括第二运算放大器OP2、第八电阻R₈和第九电阻R₉。第二运算放大器OP2的非反相输入端充当输入端w，用于第二电线W2的信号，第二电线W2连接热电阻RTD的第二端子e。第八电阻R₈连接到第二运算放大器OP2的输出端和反相输入端，第九电阻R₉一端连接第二运算放大器OP2的反相输入端，另一端接地。因此，增益G可表示为：

G = (\frac{R_{8}}{R_{9}} + 1)

再参照图1，热电阻RTD的阻值为R_T，其阻值与待测温度T之间为已知的单调函数关系。热电阻RTD包括第一端子d、第二端子e，其中第一端子d经由第一导线W1和第七电阻R₂连接到运算放大器OP1的反相输入端a，第二端子e经由第二导线W2连接到压降放大器2的输入端w，并经由第三导线W3接地。或者，第三导线W3可经由公共端子f连接到第二端子e。

第六电阻R₁和第七电阻R₂用于设定测量装置的测量范围。电阻R₁的选择方式使得当热电阻RTD的阻值R_T最大时，测量装置的输出电压V_T仍然保持在模数转换器3的输入电压范围之内。如果电阻R_T的最大值合适，则没有第六电阻R₁也可以完成电路。

第七电阻R₂的选择方式使得当热电阻RTD的阻值R_T最小时，输出电压V_T仍然保持在模数转换器3的输入电压范围之内。如果电阻R_T的最小值合适，则电阻R₂短接也可以完成电路。

现在假定电阻R₁，更确切而言是电阻R₁的阻值为无限大，或者R₂的阻值以及R₁阻值的倒数都为零，即

R_{1}^{- 1} = 0

和R₂＝0。

第四电阻R₅和第五电阻R₆用于设定热电阻RTD的激励电压。第四电阻R₅连接基准电压源1，还连接运算放大器OP1的非反相输入端b。电阻R₆一端连接运算放大器OP1的非反相输入端b，另一端接地。

第二电阻R₃跨接在运算放大器OP1的输出端与反相输入端之间。

第三电阻R₄和第一电阻R₇对电路进行补偿，因此在输出电压V_T以及对应的输出信号S_T与热电阻RTD的阻值R_T之间存在规定的单调函数关系。第三电阻R₄连接到运算放大器OP1的反相输入端，还连接到压降放大器2的输出端c。第一电阻R₇连接到运算放大器OP1的非反相输入端b，还连接到压降放大器2的输出端c。

第三电阻R₄和第一电阻R₇被选择为对跨过连接线两端的电压降提供完全补偿。对于热电阻RTD在整个范围内的所有阻值R_T及第一、第二、第三导线W1、W2、W3的任意长度，如果R_W1＝R_W3，则完全补偿的表达式为：

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) R_{13}

和

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) R_{56}

其中

R_{13} = {(\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{3}})}^{- 1},

R_{56} = {(\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}})}^{- 1},

G是压降放大器2的增益。

与恒流激励电路相比，本发明的结构简单得多，因此通过处理或显示步骤能够轻易地校正输出信号(与温度电阻的阻值具有非线性关系)，下面更详细地描述这些步骤。

选择第一和第三电阻R₇、R₄的基本构思是：对于测量范围内的任何阻值R_T，当电流流过导线W1、W3，以及假定R_W1和R_W3相等时，假定导线W1和导线W3上的压降V_w总是相等。流过导线R_W2的电流可以忽略。这是由于，当连接电缆的材料或长度改变时，单个电线W1和W3及它们的电阻R_W1和R_W3同时变化。

对压降放大器的增益G以及第一电阻R₇的阻值进行选择的结果是，b点的电压V_b相比R_W1＝R_W3＝0时b点的电压V_b0增加2V_w。运算放大器OP1的基本特征是反相输入端电压V_a等于非反相输入端电压V_b。因此，当R_W1和R_W3变化时，热电阻RTD上的压降将保持不变，流过热电阻RTD的电流也不变。因此，当R_W1和R_W3变化时，运算放大器OP1的灵敏度不会关于热电阻RTD的电阻R_T而变化。

但是，由于电压V_b和电压V_a的变化，如果没有其他措施，运算放大器OP1的输出仍然会变化。第三电阻R₄选择为完全消除这种影响。该电路中合理选择第三电阻R₄和第一电阻R₇，则结果是输出信号S_T与热电阻RTD的电阻R_T之间具有规定的单调函数关系，并且输出信号S_T与R_W1、R_W2、R_W3无关。

压降放大器的输出端c的电压V_c＝G*V_w，可以通过电路分析得到。

第一R₅₆₇表示为：

R_{567} = {(\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}} + \frac{1}{R_{7}})}^{- 1}

b点的电流平衡表示为：

\frac{V_{r} - V_{b}}{R_{5}} = \frac{V_{b}}{R_{6}} + \frac{V_{b} - V_{c}}{R_{7}}

因此，

V_{b} = (\frac{V_{r}}{R_{5}} + \frac{V_{c}}{R_{7}}) R_{567} = \frac{R_{567}}{R_{5}} V_{r} + (\frac{R_{567}}{R_{7}} G) * V_{w}

此外，当R_W1＝R_W3＝0时，b点的电压V_b0表示为：

V_{b 0} = \frac{R_{567}}{R_{5}} V_{r}

为了获得V_b＝V_b0+2V_w，可使

(\frac{R_{567}}{R_{7}} G) = 2,

因此

\frac{G}{2} = \frac{R_{7}}{R_{567}} = R_{7} (\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}} + \frac{1}{R_{7}}) = R_{7} (\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}}) + 1

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) {(\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}})}^{- 1} = (\frac{G}{2} - 1) R_{56}

因为第一电阻R₇必须大于0，则推知G>2。

因此，V_b＝V_b0+2V_w，因为运算放大器的基本特点是V_a＝V_b。当R_W1和R_W3变化时，第七电阻R₂和RTD上的电压降之和将保持不变，流过电阻R_T和R₂的电流也不变。

再考虑a点的电流平衡：

\frac{V_{T} - V_{b}}{R_{3}} = \frac{V_{b} - V_{r}}{R_{1}} + \frac{V_{b} - V_{c}}{R_{4}} + \frac{V_{b} - {2 V}_{w}}{R_{T} + R_{2}}

\frac{V_{T}}{R_{3}} = (\frac{V_{b 0} - V_{r}}{R_{0}} + \frac{V_{b 0}}{R_{3}} + \frac{V_{b 0}}{R_{4}}) + (\frac{{2 V}_{w}}{R_{1}} + \frac{{2 V}_{w}}{R_{3}} + \frac{{2 V}_{w} - G V_{w}}{R_{4}}) + \frac{V_{b 0}}{R_{T} + R_{2}}

令

\frac{2}{R_{1}} + \frac{2}{R_{3}} + \frac{2 - G}{R_{4}} = 0,

也就是

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) {(\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{3}})}^{- 1} = (\frac{G}{2} - 1) R_{13}

则V_T将与V_w无关。

假设

R_{134} = {(\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{3}} + \frac{1}{R_{4}})}^{- 1},

R_{567} = {(\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}} + \frac{1}{R_{7}})}^{- 1}

再假设

A = (- \frac{R_{3}}{R_{1}} + \frac{R_{567}}{R_{5}} \frac{R_{3}}{R_{134}}) V_{r},

B = (\frac{R_{567}}{R_{5}} R_{3}) V_{r},

则可以得到：

V_{T} = A + \frac{B}{R_{T} + R_{2}}

可以看到，A、B、R₂、V_T都与R_W1、R_W2、R_W3无关。在测量时，对V_T进行A/D变换，得到S_T。计算单元4包括的软件用下列公式算出热电阻RTD的阻值R_T：

R_{T} = \frac{B}{V_{T} - A} - R_{2}

再根据R_T与温度T的已知函数关系，求出温度T。

如果模数转换器3的参考电压Ref与基准电压V_r相同或者它们与同一个源成一定的比例，则该电路对基准电压V_r的变化也不敏感，因此能提供高精度的测量结果。

从V_T的表达式可以得出第六电阻R₁、第七电阻R₂的作用。当热电阻RTD的阻值R_T较大时，可取较大的R₁值，使V_T不至于太小，仍然保持在模数转换器3的输入电压范围之内。当热电阻RTD的阻值R_T较小时，可取较大的R₂值，使V_T不至于太大，仍然保持在模数转换器3的输入电压范围之内。

如前所述，如果热电阻RTD的阻值R_T的最小值合适，则电阻R₂可以被短接(R₂＝0)。同样，如果热电阻RTD的阻值R_T的最大值合适，则电阻R₁一般也可以省略。

在图3所示的测量装置的第二实施例中，与图1所示第一实施例的不同处是将量程设定电阻R₂短接(R₂＝0)，上述第三、第一补偿电阻R₄、R₇的选择不变。

在图4所示的测量装置的第三实施例中，与图1所示第一实施例的不同之处是省略量程设定电阻R₁(1/R₁＝0)。

在图5所示的测量装置的第四实施例中，与图1所示第一实施例的不同之处是省略量程设定电阻R₁，将R₂短接(1/R₁＝0，R₂＝0)；

在图4、图5所示实施例中，第三电阻R₄和第一电阻R₇的选择表示如下：

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) R_{3},

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) {(\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}})}^{- 1} = (\frac{G}{2} - 1) R_{56}

而

V_{T} = A + \frac{B}{R_{T}}

因此，

R_{T} = \frac{B}{V_{T} - A},

根据这个表达式用软件算出阻值R_T和温度T。

在本发明第一和第三实施例中，在第七电阻R₂存在的情况下，如果将电阻R₂看作热电阻RTD的一部分，则激励电压是恒定不变的：

V_{2 T} = V_{a} - {2 V}_{w} = V_{b} - {2 V}_{w} = V_{b 0} = \frac{R_{567}}{R_{5}} V_{r}

其中V_2T是电阻R₂和R_T上的电压降之和。

在本发明第二和第四实施例中，在第七电阻R₂短接的情况下，V_2T即R_T上的电压降。

图6示出压降放大器2的替代性实施例，具有第十电阻R₁₀和第十一电阻R₁₁，其中R₁₁比R₁₀和第二连接线W2的电阻R_W2大得多，而运算放大器OP2的非反相输入端的输入电阻比R₁₁大得多。压降放大器2的增益变为：

G = (\frac{R_{8}}{R_{9}} + 1) * (\frac{R_{11}}{R_{11} + R_{10} + R_{w 2}})

该增益在上述前提下近似为：

G = (\frac{R_{8}}{R_{9}} + 1) * (\frac{R_{11}}{R_{11} + R_{10}}),

其中

近似为1。

通过本实施例，因为第十一电阻R₁₁充当连接，所以如果只有两个电线连接传感器时，不需要手动将压降放大器2的输入连接端子w连接到地(GND)。通常R₁₁比R_W2大得多的要求很容易满足。因此实际上，电阻R_W2对压降放大器2的增益G几乎没有影响，所以根据本实施例的方法仍然是准确的。

在图7所示的另一实施例中，将该电路用于具有四线制的温度电阻中。在这种情况下，电线补偿工作与三线制相似，但是有一个优点是，不要求电线电阻相等(比如R_W1基本上等于R_W3)。对此实施例，要求像微分放大器5(增益为G)和平均放大器6这样的附加装置。微分放大器5感测连接线W1上的电压降，压降放大器2感测连接线W3上的电压降。平均放大器6的输出等于电压之和乘以因子G/2，这个和即第一连接线W1和第二连接线W3的电压降。此外，如果乘法因子被调节为增益因数G1和G2的平均值，则压降放大器2的增益与微分放大器5的增益以及它们的输入端极性可以不同，比如G1和G2。前述公式可保持不变，并且结果的准确性与三线制相同。

图8示出本发明的另一实施例，将激励电压基准(excitation voltagereference)7与图1的第四电阻R₅及第五电阻R₆相结合，其中激励电压基准7与基准电压源1等效。激励电压基准7提供激励电压V_er，激励电压V_er等于Vr*R₆/(R₆+R₅)，内阻R_int等于1/(1/R₅+1/R₆)。因此，前面计算中的值R₅₆和R₅₆₇由下式得到：R₅₆＝R_int和R₅₆₇＝1/(1/R_int+1/R₇)。

无论如何，本电路本质上是一种恒压激励电路。由于不是恒流激励电路，虽然与输出电压V_T对应的输出信号S_T与阻值R_T不是线性关系，但是电压V_T经过A/D转换很容易用软件算得精确的阻值R_T，因此算得精确的温度T。与恒流激励电路比较，该电路的优点是结构简单并且测量范围很大。如果配以较高精度的A/D，并结合电阻R₁和R₂的调节作用，就能用本电路测量各种类型的热电阻，例如PT100、PT1000和NTC30。即使没有任何内部再配置，也可以用同样的电路测量像PT100、PT1000和NTC30这样不同类型的热电阻。本电路的测量范围远远大于任一种常用的单恒流或双恒流方法。只要在测量范围内热电阻的热电阻值互不重叠，计算单元4中的软件就可以自动识别热电阻的类型，并准确测出温度值。通常不会同时采用NTC22和NTC30，因为它们的热电阻值常常重叠。

有些RTD温度传感器如NTC30，其阻值R_T很大；又如有些温度传感器PT1000，其连接导线很短；或者当测量精度要求不太高时，可以认为电线电阻相对阻值R_T较小。在这种情况下，传感器和连接线连接成二线制，而不是连接成三线制，即由R_w2代表的电线不存在。这里压降放大器的输入连接端子w简单地接地(GND)或者通过R₁₁连接。虽然电路不能对电线电阻R_w1、R_w3进行补偿，但是该电路仍然工作良好，不过对于这种设置这并不重要。

因此，本电路尤其适合于热电阻(RTD)传感器，但是它同时也能与通过2、3、4条连接线连接的其他类型传感器一起工作。

下面给出可工作阻值的优选设定：电阻R₁省略，电阻R₂：511Ω，电阻R₃：1.87kΩ，电阻R₄：60.4kΩ，电阻R₅：100kΩ，电阻R₆：33.2kΩ，电阻R₇：806kΩ，电阻R₈：100kΩ，电阻R₉：1.5kΩ，电阻R₁₀：2.7kΩ，电阻R₁₁：180kΩ。在这些阻值下，对于大多数常见的温度测量应用，测量装置为热电阻RTD良好地工作。特别而言，PT100和PT1000类型的热电阻RTD温度范围在0℃和200℃之间，而NTC30类型的热电阻RTD温度范围在0℃和100℃之间。因此连接线可以长至100米，仍然可完全补偿。

上述实施例的描述仅为本发明优选实施例的说明，本领域技术人员可依据本发明上述实施例的说明而做出其他种种等效的替换及修改。然而这些依据本发明实施例所作的种种等效替换及修改，属于本发明的发明精神及由权利要求所界定的专利范围内。

附图标记

1 基准电压源

2 压降放大器

3 模数转换单元

4 计算单元

5 微分放大器

6 平均放大器

7 激励电压基准

OP1、OP2 运算放大器

RTD 热电阻

W1、W2、W3、W4 连接线

R₁ 第六电阻

R₂ 第七电阻

R₃ 第二电阻

R₄ 第三电阻

R₅ 第四电阻

R₆ 第五电阻

R₇ 第一电阻

R₈ 第八电阻

R₉ 第九电阻

R₁₀ 第十电阻

R₁₁ 第十一电阻

R_T 热电阻的阻值

R_W1、R_W2、R_W3、R_W4 连接线的阻值

R_int 激励电压基准的内阻

RTD 热电阻

w 压降放大器的输入端

a、b 运算放大器的输入端

c 压降放大器的输出端

d、e、f 热电阻的端子

V_a、V_b 运算放大器输入端的电压

V_c 压降放大器输出端的电压

V_w 电线两端的压降

V_T 输出电压

S_T 输出信号

T 温度

V_r 基准电压

V_er 激励电压

Claims

1、一种温度测量装置，基于补偿连接线电阻的原理，所述温度测量装置包括热电阻(RTD)，所述热电阻具有第一端子(d)和第二端子(e)，所述第一端子(d)经由第一连接线(W1)连接到运算放大器(OP1)的第一输入端，所述第二端子(e)经由第三连接线(W3)连接到公共电势，所述第二端子(e)还经由第二电线(W2)连接到所述运算放大器(OP1)的第二输入端，所述公共电势特定为接地电势(GND)，所述运算放大器(OP1)发出与测得的温度(T)对应的输出信号(S_T)，所述温度测量装置的特征在于：所述第二电线(W2)将所述热电阻(RTD)的第二端子(e)连接到压降放大器(2)的输入端，所述压降放大器(2)包括输出端，所述输出端经由第一电阻(R₇)连接到所述运算放大器(OP1)的第二输入端，如果合适，则所述运算放大器(OP1)的第一输入端和输出端经由第二电阻(R₃)相互连接。

2、如权利要求1所述的温度测量装置，其特征在于：所述压降放大器(2)具有增益(G)，所述增益(G)大于2，特定为大于10。

3、如权利要求1或2所述的温度测量装置，其特征在于：所述压降放大器(2)的输出端经由第三电阻(R₄)连接到所述运算放大器(OP1)的第一输入端。

4、如权利要求2和3所述的温度测量装置，其特征在于：所述第三电阻(R₄)的阻值基本上根据表达式

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) R_{3}

来设定。

5、如权利要求1至4中任一项所述的温度测量装置，其特征在于：所述运算放大器(OP1)的第二输入端经由第四电阻(R₅)连接到基准电压源(1)，并经由第五电阻(R₆)连接到接地电势(GND)。

6、如权利要求2和5所述的温度测量装置，其特征在于：所述第一电阻(R₇)的阻值基本上根据表达式

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) {(\frac{1}{R_{5}} + \frac{1}{R_{6}})}^{- 1}

来设定。

7、如权利要求1至6中任一项所述的温度测量装置，其特征在于：所述运算放大器(OP1)的第二输入端连接到激励电压基准(7)，所述激励电压基准(7)提供激励电压(V_er)，并且所述激励电压基准(7)包括内阻(R_in)。

8、如权利要求7所述的温度测量装置，其特征在于：所述第一电阻(R₇)的阻值基本上根据表达式

R_{7} = (\frac{G}{2} - 1) R_{in}

来设定。

9、如权利要求1至8中任一项所述的温度测量装置，其特征在于：所述运算放大器(OP1)的第一输入端特定为经由第六电阻(R₁)连接到基准电压源(1)。

10、如权利要求2、3和9所述的温度测量装置，其特征在于：所述第三电阻(R₄)的阻值基本上根据表达式

R_{4} = (\frac{G}{2} - 1) {(\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{3}})}^{- 1}

来设定。

11、如权利要求1至10中任一项所述的温度测量装置，其特征在于：所述第一连接线(W1)经由第七电阻(R₂)连接到所述运算放大器(OP1)的第一输入端。

12、如权利要求1至11中任一项所述的温度测量装置，其特征在于：所述运算放大器(OP1)的第一输入端为反相输入端，所述运算放大器(OP1)的第二输入端为非反相输入端。

13、如权利要求1至12中任一项所述的温度测量装置，其特征在于：所述压降放大器(2)是另一个运算放大器(OP2)，所述另一个运算放大器(OP2)的非反相输入端连接到所述第二电线(W2)，所述另一个运算放大器(OP2)的反相输入端经由第八电阻(R₈)连接到所述压降放大器(2)的输出端，所述另一个运算放大器(OP2)还经由第九电阻(R₉)连接到接地电势(GND)。

14、如权利要求13所述的温度测量装置，其特征在于：所述另一个运算放大器(OP2)的反相输入端经由第十电阻(R₁₀)连接到所述第二电线(W2)，并经由第十一电阻(R₁₁)连接到接地电势(GND)。

15、如权利要求1至14中任一项所述的温度测量装置，其特征在于：所述第一导线(W1)与所述第三导线(W3)优选包括相同的材料，具有近似相同的电阻。

16、如权利要求1至15中任一项所述的温度测量装置，其特征在于：所述运算放大器(OP1)的输出信号(S_T)被发送给信号处理单元，所述信号处理单元例如是向计算单元(4)提供数字信号并且如果合适，连接到公共的基准电压源(1)的模数转换单元(3)。

17、一种温度测量方法，基于补偿连接线阻值的原理，所述温度测量方法包括热电阻(RTD)，所述热电阻具有第一端子(d)和第二端子(e)，所述第一端子(d)经由第一连接线(W1)连接到运算放大器(OP1)的第一输入端，所述第二端子(e)经由第三连接线(W3)连接到公共电势，所述第二端子(e)还经由第二电线(W2)连接到所述运算放大器(OP1)的第二输入端，所述公共电势特定为接地电势(GND)，所述运算放大器(OP1)发出与测得的温度(T)对应的输出信号(S_T)，所述温度测量方法的特征在于：所述热电阻(RTD)的第二端子(e)的信号经由所述第二电线(W2)传输到压降放大器(2)，所述压降放大器(2)将放大后的信号经由第一电阻(R₇)发送给所述运算放大器(OP1)的第二输入端，如果合适，则所述运算放大器(OP1)的输出信号经由第二电阻(R₃)馈入所述运算放大器(OP1)的第一输入端。

18、如权利要求17所述的测量方法，其特征在于：所述热电阻(RTD)的第二端子(e)的所述信号由所述压降放大器(2)放大，所述压降放大器(2)具有增益(G)，所述增益(G)大于2，特定为大于10。

19、如权利要求17或18所述的测量方法，其特征在于：所述压降放大器(2)将所述放大后的信号经由第三电阻(R₄)发送给所述运算放大器(OP1)的第一输入端。

20、如权利要求17至19中任一项所述的测量方法，其特征在于：所述运算放大器(OP1)的第二输入端由激励电压基准(7)激励，所述激励电压基准(7)提供激励电压(V_er)，并且所述激励电压基准(7)包括内阻(R_in)。

21、如权利要求17至20中任一项所述的测量方法，其特征在于：所述热电阻(RTD)由激励电压驱动，所述激励电压由所述运算放大器(OP1)控制。

22、如权利要求17至21中任一项所述的测量方法，其特征在于：优选在初始阶段和/或在校准阶段计算中间值(A，B)，并将其存储下来用于进一步的计算。

23、如权利要求17至22中任一项所述的测量方法，其特征在于：根据下面的表达式通过中间值(A，B)计算所述热电阻(RTD)的阻值(R_T)：

R_{T} = \frac{B}{V_{T} - A},

或者当第一连接线(W1)经由第七电阻(R₂)连接到所述运算放大器(OP1)的第一输入端时，根据下面的表达式计算所述热电阻(RTD)的阻值(R_T)：

R_{T} = \frac{B}{V_{T} - A} - R_{2} .