专利名称：一种温度测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及测控领域，尤其涉及一种温度测量装置及方法。
背景技术：
在工业设备或民用电器中通常需对作业对象或环境进行监控，而热电偶是目前应用最广泛的温度测量组件之一。热电偶测温的基本原理是基于塞贝克(keback)效应，具有测温范围广、构造简单、使用方便等特点。热电偶通常包括保护套管、工作端及自由端。其中，工作端与自由端分别由两种不同的金属丝组成的两个热电极(如铜或铁的组合)焊接形成。热电偶的工作端用于检测作业对像或环境温度，设置于待测作业环境中或与待测作业对像相接触。热电偶的自由端则与仪表相连。如果热电偶的工作端与自由端存在温度差，则工作端与自由端之间将产生电动势，由仪表测出。然而，由热电偶构成的测温装置中通常需要采用仪用放大器IC或者采用多个运放单元构建的仪用放大器对热电偶的微弱信号进行放大，从而获得高输入阻抗和高共模抑制比。但是，性能再好的仪用放大器也存在一定的输入电压漂移(Vos)，无法具备理想特性。 另外，输入电压漂移会随着环境或测量温度而变化，即存在温漂；且输入电压漂移亦会随着运行时间而变化，即存在时漂。目前，解决上述问题的通常作法就是根据需要选用低输入电压漂移量的仪用放大器IC，相应将导致温度测量装置的成本急剧上升。

发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术中存在的缺点和不足， 提供一种温度测量装置，采用软硬件结合的方式避免使用低输入电压漂移的仪用放大器 IC，使用较低的成本即可实现高精度的温度测量。本发明提供一种温度测量装置，包括检测单元、运放单元、开关单元及控制单元。 其中，检测单元，用于检测待测温度，并相应输出检测电压。运放单元，用于接收并放大所述检测单元输出的检测电压，并相应输出放大电压。开关单元，连接于所述检测单元及运放单元之间，用于控制检测单元及运放单元间连接的导通及关闭使得所述运放单元所接收的输入电压分别为零及所述检测单元输出的检测电压。控制单元，用于所述控制开关单元的导通及关闭，并根据所述运放单元在所述开关单元导通及关闭时输出的两个放大电压的差值计算测量温度。作为本发明的进一步改进，所述开关模块包括开关电路，所述开关电路由第一晶体管及第二晶体管构成。作为本发明的进一步改进，所述开关模块包括继电器。作为本发明的进一步改进，所述检测单元包括热电偶，所述热电偶包括工作端及自由端。工作端，用于检测温度。自由端，用于输出检测电压。
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作为本发明的进一步改进，所述热电偶的自由端设置于恒温环境。作为本发明的进一步改进，所述运放单元包括第一电阻、第一参考电压、第一电容及运算放大器。所述运算放大器包括第一接脚、第二接脚、第三接脚及第四接脚。第一接脚， 用于接收所述检测单元输出的检测电压。第二接脚，经所述开关单元与所述第一接脚相连， 并经所述第一电阻与所述第一电参考电压相连。第三接脚，与所述第一参考电压相连。第四接脚，用于将所述运放单元输出的放大电压输出所述控制单元。作为本发明的进一步改进，所述控制单元包括第二电阻、第二电容、第二参考电压及微控制器。第二参考电压，大于所述所述第一参考电压。所述微控制器包括第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚及接地引脚。其中，第一引脚，用于接收所述运放单元输出的放大电压。第二引脚，用于连接所述第二参考电压，并经所述第二电容接地。第三引脚，经由所述第二电阻与所述开关单元相连，用于控制所述开关单元的导通与关闭。第四引脚，用于输出测量温度值。接地引脚，用于接地。作为本发明的进一步改进，所述控制单元在根据所述运放单元在所述开关单元导通及关闭时输出的两个放大电压的差值计算测量温度时，对所述检测单元进行冷端补偿处理。本发明还提供了一种温度检测方法，包括控制单元控制检测单元及运放单元间连接关闭；所述运放单元放大所接收的第一检测电压，并相应输出第一放大电压至所述控制单元；所述控制单元控制所述检测单元及运放单元间连接导通；所述运放单元放大所收接收的第二检测电压，并相应输出第二放大电压至所述控制单元；及所述控制单元计算所述第一及第二放大电压的差值，并相应得到测量温度值。本发明所提供的温度测量装置及方法通过控制检测单元及运放单元间连接的导通及关闭，利用运放单元输出的两个放大电压的差值计算实际检测温度，消除了运算放大器输入电压漂移的影响。因此，本发明所提供的温度检测装置及方法中只需采用普通运算放大器即可获得不受运算放大器输入电压漂移影响的高精度的温度测量结果，具有极高的性价比。


图1是本发明提供的温度测量装置100的一种实施方式的电路模块示意图。图2是本发明提供的温度测量装置100的一种实施方式的具体电路示意图。图3是本发明提供的温度测量方支的一种实施方式的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和本发明的实施方式作进一步详细说明。图1为本发明提供的温度测量装置100的一种实施方式的电路模块示意图。如图 1所示，温度测量装置100包括检测单元110、开关单元120、运放单元130及控制单元140。 其中，检测单元110用于检测待测作业对像或环境的温度，并相应输出检测电压Vi。开关单元120连接于检测单元110与运放单元130之间，用于控制检测单元110与运放单元130 的连接的导通及关闭使得所述运放单元所接收的输入电压分别为零及所述检测单元输出的检测电压。运放单元130用于接收并放大检测单元110输出的检测电压Vi，并相应输出放大电压Vo。控制单元140用于控制开关单元120的导通及关闭，并根据运放单元130的在开关单元120导通及关闭时输出的两个放大电压Vo的差值计算待测对像或环境的实际
测量温度。图2为本发明提供的温度检测装置100的一种实施方式的具体电路示意图。如图 2所示，温度测量装置100包括检测单元110、开关单元120、运放单元130及控制单元140。检测单元110用于检测待测作业对像或环境的温度，并相应输出检测电压Vi。在本实施方式中，检测单元110由热电偶构成。其中，热电偶的工作端设置于待测作业环境中或与待测作业对像相接触，用于检测待测温度；热电偶的自由端用于输出检测电压Vi。在本发明一种实施方式中，热电偶的自由端设置于恒定温度下。在本发明另一种实施方式中， 控制单元140在计算实际测量温度时将对检测单元110进行冷端补偿处理。开关单元120连接于检测单元110与运放单元130之间，用于控制检测单元110 与运放单元130的连接的导通及关闭使得所述运放单元所接收的输入电压分别为零及所述检测单元输出的检测电压。在本实施方式中，开关单元120包括开关电路。开关电路由第一晶体管Ql及第二晶体管Q2构成，用于控制检测单元110及运放单元120间连接的导通及关闭。当微处理器140控制第一晶体管Ql及第二晶体管Q2构成的开关电路导通时， 检测单元110与运放单元130间的连接关闭，运放单元130接收的检测电压Vi为零。当微处理器140控制第一晶体管Ql及第二晶体管构成的开关电路关闭时，检测单元110与运放单元130的连接导通，运放单元130接收的检测单元110输出的实际检测电压Vi。在本发明的其他实施方式中，开关单元120包括继电器或其它可控开关。运放单元130用于放大检测单元110输出的检测电压Vi，并相应输出放大电压 Vo。在本实施方式中，运放单元130包括运算放大器Al、第一电阻R1、第一参考电压Vrefl 及第一电容Cl。其中，运算放大器Al包括第一接脚Pl，第二接脚P2，第三接脚P3，第四接脚P4。第一接脚Pl用于接收检测单元110的输出电压Vi ；第二接脚P2通过开关单元120 与第一接脚Pl相连，并经第一电阻Rl与第一电参考电压Vrefl相连；第三接脚P3与第一参考电压Vrefl相连；第四接脚P4用于将运放单元130输出放大电压Vo输出至控制单元 140。控制单元140用于控制开关单元120的导通及关闭，并根据运放单元130的在开关单元120导通及关闭时输出的两个放大电压Vo的差值计算待测对像或环境的实际测量温度。在本实施方式中，控制单元140包括微控制器A2、第二电阻R2、第二电容C2及第二参考电压Vref2。其中，微控制器A2包括第一引脚PI、第二引脚P2、第三引脚P3、第四引脚 P4及接地引脚GND。第一引脚Pl用于接收运放单元130输出的放大电压Vo ；第二引脚P2 用于连接第二参考电压Vref2，并经由第二电容C2接地；第三引脚P3经由第二电阻R2与开关单元 120相连，用于控制开关单元120的导通与关闭；第四引脚P4用于输出测量温度值；接地引脚GND用于接地。其中，第二参考电压Vref2大于第一参考电压Vrefl。本发明所提供的温度测量装置100通过控制单元140控制开关单元120的导通及关闭从而根据运放单元130输出的两个放大电压Vo的差值计算实际检测温度，消除了运算放大器输入电压漂移Vos的影响。因此，本发明所提供的温度检测装置100中只需采用普通运算放大器即可获得不受运算放大器输入电压漂移影响的高精度的温度测量结果，具有极高的性价比。
图3为本发明提供的温度测量方法的一种实施方式的流程图。步骤301 控制单元140控制所述检测单元110及运放单元130间连接关闭。在本实施方式中，控制单元140通过开关单元120控制检测单元110及运放单元 130间连接的导通与关闭。当控制单元140控制开关单元120导通时，检测单元110及运放单元130间连接关闭，运放单元130所接收的第一检测电压Vil为零。当控制单元140控制开关单元120关闭时，检测单元110及运放单元130间连接导通，运放单元130所接收的第二检测电压Vi2，即为检测单元110输出的实际检测电压。在其他实施方式中，本领域技术人员也可设置开关电路120与运放单元130的连接关系，使得开关单元120关闭时运放单元130所接收的检测电压为零。当开关单元120导通时，运放单元130接收检测单元100 输出的实际检测电压。步骤302 运放单元130放大所接收的第一检测电压Vi 1，并相应输出第一放大电压Vol至控制单元140。在本实施方式中，运放单元130采用反向放大模式。其中放大倍数为G，基准电压为Vrefl，输入电压漂移为Vos。运放单元130输出的第一放大电压Vol与接收的第一检测电压Vil的关系如公式1所示。Vol = Vil*G + Vos*G +Vrefl(公式 1)
步骤303 控制单元140控制所述检测单元110及运放单元130间连接导通。步骤304 运放单元130放大所收接收的第二检测电压Vi2，并相应输出第二放大电压Vo2至控制单元140。运放单元130输出的第二放大电压Vo2与接收的第二检测电压 Vi2的关系如公式2所示。Vo2 = Vi2*G + Vos*G +Vrefl(公式 2)
步骤305，控制单元140计算第一放大电压Vol及第二放大电压Vo2的差值，并相应得到测量温度值。第一放大电压Vol及第二放大电压Vo2的差值出通过公式3得出。Vol-Vo2 |=|Vil*G + Vos*G +Vref1|-|Vi2*G + Vos*G +Vrefl Vol-Vo2 | = |Vil-Vi2|*G(公式 3)
在本实施方式中，控制单元140采用软件方式通过查找或计算根据第一放大电压Vol 及第二放大电压Vo2的差值得到测量温度值。本发明所提供的温度测量方法，通过控制检测单元110与运放单元130间连接的导通及关闭，利用运放单元130输出的两个放大电压Vol及Vo2的差值计算实际检测温度的作法，消除了运放单元130输入电压漂移Vos的影响。因此，本发明所提供的温度检测方法只需采用普通运算放大器即可获得不受运算放大器输入电压漂移影响的高精度的温度测量结果，具有极高的性价比。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种温度测量装置，其特征在于，包括检测单元，用于检测待测温度，并相应输出检测电压；运放单元，用于接收并放大所述检测单元输出的检测电压，并相应输出放大电压； 开关单元，连接于所述检测单元及运放单元之间，用于控制检测单元及运放单元间连接的导通及关闭使得所述运放单元所接收的输入电压分别为零及所述检测单元输出的检测电压；及控制单元，用于所述控制开关单元的导通及关闭，并根据所述运放单元在所述开关单元导通及关闭时输出的两个放大电压的差值计算测量温度。
2.根据权利要求1所述的温度测量装置，其特征在于所述开关模块包括开关电路，所述开关电路由第一晶体管及第二晶体管构成。
3.根据权利要求1所述的温度测量装置，其特征在于 所述开关模块包括继电器。
4.根据权利要求1所述的温度测量装置，其特征在于，所述检测单元包括热电偶，所述热电偶包括工作端，用于检测温度；及自由端，用于输出检测电压。
5.根据权利要求5所述的温度测量装置，其特征在于，所述热电偶的自由端设置于恒温环境。
6.根据权利要求1所述的温度测量装置，其特征在于，所述运放单元包括 第一电阻；第一参考电压； 第一电容；及运算放大器，包括第一接脚，用于接收所述检测单元输出的检测电压；第二接脚，经所述开关单元与所述第一接脚相连，并经所述第一电阻与所述第一电参考电压相连；第三接脚，与所述第一参考电压相连；及第四接脚，用于将所述运放单元输出的放大电压输出至所述控制单元。
7.根据权利要求6所述的温度测量装置，其特征在于，所述控制单元包括 第二电阻；第二电容；第二参考电压，大于所述所述第一参考电压；及微控制器，包括第一引脚，用于接收所述运放单元输出的放大电压；第二引脚，用于连接所述第二参考电压，并经所述第二电容接地；第三引脚，经由所述第二电阻与所述开关单元相连，用于控制所述开关单元的导通及关闭； 第四引脚，用于输出测量温度值；及接地引脚，用于接地。
8.根据权利要求1所述的温度测量装置，其特征在于，所述控制单元在根据所述运放单元在所述开关单元导通及关闭时输出的两个放大电压的差值计算测量温度时，对所述检测单元进行冷端补偿处理。
9. 一种温度测量方法，其特征在于，包括 控制单元控制检测单元及运放单元间连接关闭；所述运放单元放大所接收的第一检测电压，并相应输出第一放大电压至所述控制单元；所述控制单元控制所述检测单元及运放单元间连接导通；所述运放单元放大所收接收的第二检测电压，并相应输出第二放大电压至所述控制单元；及所述控制单元计算所述第一及第二放大电压的差值，并相应得到测量温度值。
全文摘要
本发明提供一种温度测量装置，包括检测单元、运放单元、开关单元及控制单元。其中，检测单元用于检测待测温度，并相应输出检测电压。运放单元用于接收并放大所述检测单元的输出电压，并相应输出放大电压。开关单元连接于所述检测单元及运放单元之间，用于控制检测单元及运放单元间连接的导通及关闭使得所述运放单元所接收的输入电压分别为零及所述检测单元输出的检测电压。控制单元用于所述控制开关单元的导通及关闭，并根据所述运放单元在所述开关单元导通及关闭时输出的两个放大电压的差值计算测量温度。本发明提供的温度测量装置及相应提供的一种温度测量方法，消除了运算放大器输入电压漂移的影响，具有极高的性价比。
文档编号G01K7/02GK102435337SQ20111028584
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者李先虎 申请人:深圳和而泰智能控制股份有限公司