一种基于K型热电偶的温度测量电路

摘要

本发明为一种基于K型热电偶的温度测量电路，包括差分低通滤波电路、放大电路、二阶低通滤波电路、滤除射频干扰电路何电压转换电路。差分低通滤波电路由两个偏置电阻和三个电容组成，提升了温度信号输入的电平值，有效抵御外界干扰，增强了电路的抗干扰能力。放大电路通过电压转换芯片将输入温度信号的差分电压值放大，适合于模数转换，能有提高采集精度。二阶低通滤波电路由运放芯片和四个高精度电阻组成，滤除高频率电压信号的干扰。电压转换电路由电压转换芯片和两个电容组成，用于给差分低通滤波电路、放大电路以及二阶低通滤波电路电路提供偏置电压。本发明提高了整个电路的测量精度，且测量电路的结构简单、成本低、功能可靠还易于实现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量电路，特别是涉及到一种温度的测量电路，具体是一种基于K型热电偶的温度测量电路，属于热计量技术领域。

背景技术

温度信号是工业生产、人类生活和科学研究中非常重要的测试物理量，其测量方法很多，也有多种分类。K型热电偶具有线性度好，热电动势、热电势率较大，温度系数、比势小，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性、惰性气体中。故该设计选用K型热电偶作为温度敏感元件。热电偶测温的基本原理是热电效应，即两种不同的导体（或半导体）两端焊接组成闭合回路，当两个接合点所处的环境温度不同时，会在回路内产生热电势，即塞贝克电势。由于产生的热电动势比较微弱，需要经过仪表放大器放大。但是由于测量环境比较复杂，仪表放大器的输入端容易受到射频干扰，出现失调电压。而低通滤波器是无法滤除这种射频干扰，影响到温度的测量精度。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是研究设计一种新型的基于K型热电偶的温度测量电路，从而解决以往测温电路容易受到外界干扰的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于K型热电偶的温度测量电路，包括放大器芯片U1、第一运放芯片U2A、第二运放芯片U2B、第一电压转换芯片U3、第二电压转换芯片U4、第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、第一高精度电阻R3、第二高精度电阻R4、第三高精度电阻R5、第四高精度电阻R6、第五高精度电阻R7、第六高精度电阻R8、第七高精度电阻R9、第一分压电阻R10、第二分压电阻R11、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9；其中，放大器芯片U1的第一管脚1连接第三高精度电阻R5，第三高精度电阻R5另一端连接放大器芯片U1的第八管脚8；第一电容C1的一端接地、另一端接第二电容C2，第二电容C2的另一端连接第三电容C3，第三电容C3的另一端接地；第一电容C1与第二电容C2相连的一端接第一高精度电阻R3，第三电容C3与第二电容C2相连的一端接第二高精度电阻R4，第一高精度电阻R3的另一端连接第一偏置电阻R1，第二高精度电阻R4的另一端连接第二偏置电阻R2，第一偏置电阻R1与第二偏置电阻R2的另一端均接偏置电压V1，第一偏置电阻R1与第一高精度电阻R3相接的部分为热电偶信号的输入正端，第二偏置电阻R2与第二高精度电阻R4相接的部分为热电偶信号的输入负端；放大器芯片U1的第三管脚3连接第一电容C1与第二电容C2的相接处，放大器芯片U1的第二管脚2连接第三电容C3与第二电容C2的相接处，放大器芯片U1的第五管脚5接基准电压V2，放大器芯片U1的第六管脚6连接第四高精度电阻R6，第四高精度电阻R6的另一端连接第四电容C4、第五高精度电阻R7与第七高精度电阻R9，第四电容C4的另一端接地；第七高精度电阻R9的另一端接第一运放芯片U2A的第一管脚1，第五高精度电阻R7的另一端接第一运放芯片U2A的第二管脚2，第六高精度电阻R8的一端接第一运放芯片U2A的第三管脚3、另一端接偏置电压V1；第五电容C5的一端接第一运放芯片U2A的第一管脚1、另一端接第一运放芯片U2A的第二管脚2；第二运放芯片U2B的第六管脚6与第七管脚7相接，第一运放芯片U2A的第一管脚1与第二运放芯片U2B的第五管脚5相接，第二运放芯片U2B的第七管脚7为信号的输出端；第一电压转换芯片U3与第六电容C6、第七电容C7形成电压转换模块，将5V电压转换成偏置电压V1；第六电容C6的一端接第一电压转换芯片U3的第一管脚1、另一端接第一电压转换芯片U3的第三管脚3，第七电容C7的一端接第一电压转换芯片U3的第二管脚2、另一端接第一电压转换芯片U3的第三管脚3，第一电压转换芯片U3的第一管脚1接5V电压、第三管脚3接地、第二管脚2为偏置电压V1的输出端；第二电压转换芯片U4与第一分压电阻R10、第二分压电阻R11、第八电容C8、第九电容C9组成电压V1转换电压V2的模块，第二分压电阻R11、第八电容C8与第九电容C9并联，且并联的一端接第二电压转换芯片U4的第三管脚3，并联的另一端接地，第一分压电阻R10的一端接第二电压转换芯片U4的第三管脚3、另一端接偏置电压V1，第二电压转换芯片U4的第二管脚2与其第六管脚6相接，第二电压转换芯片U4的第六管脚6为基准电压V2的输出端。

热电偶产生电动势通过输入正端和输入负端给放大器芯片U1的第二管脚2和第三管脚3信号。微弱信号经过放大以后通过放大器芯片U1的第六管脚6输出。第一运放芯片U2A与第四高精度电阻R6、第五高精度电阻R7、第六高精度电阻R8、第七高精度电阻R9组成二阶压控低通滤波器。第二运放芯片U2B形成跟随器增强负载能力。第一电压转换芯片U3将5V电压转换成1.248V提升输入信号的偏置电压。第二电压转换芯片U4与第一分压电阻R10、第二分压电阻R11、第八电容C8、第九电容C9将1.248V转换成0.303V电压，为放大器芯片U1提供基准电压。

作为优选的技术方案，所述的放大器芯片U1的型号为AD623，所述的第一运放芯片U2A及第二运放芯片U2B的型号为OPA4340UA，所述的第一电压转换芯片U3的型号为MAX6061，所述的第二电压转换芯片U4的型号为OP113。

作为优选的技术方案，所述的第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2取值均为5.1KΩ，所述的第一电容C1和第三电容C3取值均为1000pF，所述的第二电容C2取值为0.022uF，所述的第四高精度电阻R6、第五高精度电阻R7和第七高精度电阻R9取值均为6.2K，所述的第六高精度电阻R8取值为30K，所述的第四电容C4和第五电容C5取值均为4.7uF。

本发明电路在仪表放大器之前增加差分低通滤波器，使输入信号在进放大器前提前提供RF衰减滤波。此增加的差分低通滤波器能有效的滤除射频干扰，使通过仪表放大器的热电动势在很大程度上不受射频干扰。差分低通滤波器之后接仪表放大器，即放大器芯片U1；此后接二阶压控，由第一运放芯片U2A、第五高精度电阻R7、第六高精度电阻R8、第七高精度电阻R9、第四电容C4、第五电容C5组成；最后再接一个跟随器U2B，即第二运放芯片U2B，组成温度的测量电路。

本发明采用差分低通滤波器以及仪表放大器能够有效的放大差分信号，又滤除了射频干扰，不仅提高了整个电路的测量精度，而且测量电路的结构简单、成本低、功能可靠还易于实现。

附图说明

此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明测试电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细阐述。

作为基本的实施例，一种基于K型热电偶的温度测量电路，如图1所示，包括放大器芯片U1、第一运放芯片U2A、第二运放芯片U2B、第一电压转换芯片U3、第二电压转换芯片U4、第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、第一高精度电阻R3、第二高精度电阻R4、第三高精度电阻R5、第四高精度电阻R6、第五高精度电阻R7、第六高精度电阻R8、第七高精度电阻R9、第一分压电阻R10、第二分压电阻R11、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9。

其中，放大器芯片U1的第一管脚1连接第三高精度电阻R5，第三高精度电阻R5另一端连接放大器芯片U1的第八管脚8；第一电容C1的一端接地、另一端接第二电容C2，第二电容C2的另一端连接第三电容C3，第三电容C3的另一端接地；第一电容C1与第二电容C2相连的一端接第一高精度电阻R3，第三电容C3与第二电容C2相连的一端接第二高精度电阻R4，第一高精度电阻R3的另一端连接第一偏置电阻R1，第二高精度电阻R4的另一端连接第二偏置电阻R2，第一偏置电阻R1与第二偏置电阻R2的另一端均接偏置电压V1，第一偏置电阻R1与第一高精度电阻R3相接的部分为热电偶信号的输入正端，第二偏置电阻R2与第二高精度电阻R4相接的部分为热电偶信号的输入负端；放大器芯片U1的第三管脚3连接第一电容C1与第二电容C2的相接处，放大器芯片U1的第二管脚2连接第三电容C3与第二电容C2的相接处，放大器芯片U1的第五管脚5接基准电压V2，放大器芯片U1的第六管脚6连接第四高精度电阻R6，第四高精度电阻R6的另一端连接第四电容C4、第五高精度电阻R7与第七高精度电阻R9，第四电容C4的另一端接地；第七高精度电阻R9的另一端接第一运放芯片U2A的第一管脚1，第五高精度电阻R7的另一端接第一运放芯片U2A的第二管脚2，第六高精度电阻R8的一端接第一运放芯片U2A的第三管脚3、另一端接偏置电压V1；第五电容C5的一端接第一运放芯片U2A的第一管脚1、另一端接第一运放芯片U2A的第二管脚2；第二运放芯片U2B的第六管脚6与第七管脚7相接，第一运放芯片U2A的第一管脚1与第二运放芯片U2B的第五管脚5相接，第二运放芯片U2B的第七管脚7为信号的输出端；第一电压转换芯片U3与第六电容C6、第七电容C7形成电压转换模块，将5V电压转换成偏置电压V1，第六电容C6的一端接第一电压转换芯片U3的第一管脚1、另一端接第一电压转换芯片U3的第三管脚3，第七电容C7的一端接第一电压转换芯片U3的第二管脚2、另一端接第一电压转换芯片U3的第三管脚3，第一电压转换芯片U3的第一管脚1接5V电压、第三管脚3接地、第二管脚2为偏置电压V1的输出端；第二电压转换芯片U4与第一分压电阻R10、第二分压电阻R11、第八电容C8、第九电容C9组成电压V1转换电压V2的模块，第二分压电阻R11、第八电容C8与第九电容C9并联，且并联的一端接第二电压转换芯片U4的第三管脚3，并联的另一端接地，第一分压电阻R10的一端接第二电压转换芯片U4的第三管脚3、另一端接偏置电压V1，第二电压转换芯片U4的第二管脚2与其第六管脚6相接，第二电压转换芯片U4的第六管脚6为基准电压V2的输出端。

上述的本发明电路中，包括了差分低通滤波电路、放大电路、二阶低通滤波电路、滤除射频干扰电路以及电压转换电路。这五部分电路提高了温度信号的采集精度。第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3组成差分低通滤波电路，在第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2的两端加偏置电压1.248V，提升了温度信号输入的电平值，有效抵御外界干扰，增强了电路的抗干扰能力。放大电路通过第一电压转换芯片U3将输入温度信号的差分电压值放大，适合于模数转换，能有提高采集精度。第一运放芯片U2A与第四高精度电阻R6、第五高精度电阻R7、第六高精度电阻R8、第七高精度电阻R9组成二阶低通滤波电路，该部分电路滤除高频率电压信号的干扰。第一电压转换芯片U3、第六电容C6、第七电容C7组成电压转换电路，将5V转化成1.248V的电压转化电路，此部分电路用于给差分低通滤波电路、放大电路以及二阶低通滤波电路电路提供偏置电压。

作为一个优选的实施例，所述的放大器芯片U1的型号为AD623，所述的第一运放芯片U2A及第二运放芯片U2B的型号为OPA4340UA，所述的第一电压转换芯片U3的型号为MAX6061，所述的第二电压转换芯片U4的型号为OP113。

作为另一个优选的实施例，所述的第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2取值均为5.1KΩ，所述的第一电容C1和第三电容C3取值均为1000pF，所述的第二电容C2取值为0.022uF，所述的第四高精度电阻R6、第五高精度电阻R7和第七高精度电阻R9取值均为6.2K，所述的第六高精度电阻R8取值为30K，所述的第四电容C4和第五电容C5取值均为4.7uF。

本发明测量电路的工作过程为：

当输入端有信号输入时，与其并联的第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2接1.248V抬高了输入偏置电压。输入信号在经过由第一高精度电阻R3、第二高精度电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3组成的差分低通滤波器滤除射频干扰，再经过仪表放大器AD623、即放大器芯片U1进行放大。经过放大的信号再经过由第一运放芯片U2A、第四高精度电阻R6、第五高精度电阻R7、第六高精度电阻R8、第七高精度电阻R9、第四电容C4、第五电容C5组成的二阶低通滤波器，最后信号再接一个由第二运放芯片U2B形成的跟随器。其中第二电压转换芯片U4与第一分压电阻R10、第二分压电阻R11、第八电容C8、第九电容C9组成模块将1.248V电压转换为0.303V，为仪表放大器AD623、即放大器芯片U1提供基准电压，其中第二分压电阻R11为15K、第一分压电阻R10为7K、第八电容C8为100nF、第九电容C9为1uF。第一电压转换芯片U3与第六电容C6、第七电容C7组成的模块将5V电压转换为1.248V，而二阶低通滤波器的正向输入端提供基准电压。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。