基于运算放大器搭建的热电偶变送电路及热电偶测量方法与流程

本发明属于热电偶测量，尤其涉及一种基于运算放大器搭建的热电偶变送电路及热电偶测量方法。

背景技术：

1、热电偶是将温度的变化转换成金属热电势大小的前端传感器，常见的热电偶传感器如k型、e型、n型以及j型等；根据所选的传感器类型不同，其泽贝克常数(uv/℃)，组成形式于此不同，主要区别在于不同类型的热电偶所使用的金属材料不同；目前常见的热电偶测量方式为前端模拟电路模块、模数转换电路模块以及数字处理电路模块相结合的方式，可有效的提高测量精度，但其需要嵌入软件算法拟合纠正，其研发成本大大增加。

2、目前热点偶测量技术的电路结构主要包括前端滤波电路、冷端补偿电路、差分放大电路、模数转换电路以及数字处理电路；该电路结构模块化电路多极化，所需芯片供电范围不同，造成供电电源多极化，并且需要嵌入式软件，否则电路无法正常工作；而正是由于模块化电路多极化以及需要嵌入式软件，导致成本也随之增加。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于运算放大器搭建的热电偶变送电路及热电偶测量方法，拟解决目前热电偶测量技术成本较高的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、基于运算放大器搭建的热电偶变送电路，包括前端滤波电路、差分放大电路以及冷端补偿电路；

4、所述前端滤波电路包括与电路板铜导线连接的检测端；所述检测端包括第一电压检测端和第二电压检测端；

5、所述差分放大电路包括两个输入端和一个输出端，两个输入端分别与前端滤波电路的第一电压检测输出端和第二电压检测输出端一一对应连接；

6、所述冷端补偿电路并联入差分放大电路，基于冷端补偿电路补偿热电偶探测金属材质与电路板铜导线在室温连接时的热电势损失，并将补偿的电势差叠加到差分放大电路中，差分放大电路将进行补偿后的热电势进行放大后输出。

7、本发明通过前端滤波电路保护热电偶传感器传递到电路板的高共模电压，并消除高频共模和差分噪声；通过差分放大电路检测热电偶传感器两种金属材质的热电势差，并消除低频共模噪声；通过冷端补偿电路补偿金属材质与电路板连接处的热电势损失；故本发明通过将冷端补偿电路并联入差分放大电路，对热电势进行采集与校正，并通过分析泽贝克参数差异，实现了热点偶的温度检测；本发明通过上述技术方案实现热电偶的检测，无需采用模数转换电路和数字采集电路，从而降低了整个装置的成本，并且不需要采用嵌入软件进行计算，从而进一步的降低了研发成本。

8、优选的，所述前端滤波电路包括：

9、第一电压检测端到第一电压检测输出端依次串联的第一电阻和第三电阻；

10、第二电压检测端到第二电压检测输出端依次串联的第十电阻和第十一电阻；

11、所述第一电压检测端到第一电阻之间依次并联有第四电阻和第一双向tvs管，所述第四电阻和第一双向tvs管的一端均分别接地；

12、所述第一电阻和第三电阻之间并联有两个第一单向esd二级管，其中一个第一单向esd二级管的输入端连接在第一电阻和第三电阻之间，输出端接地；另一个第一单向esd二级管的输入端连接输入电压，输出端连接在第一电阻和第三电阻之间；

13、所述第二电压检测端到第十电阻之间并联有第二双向tvs管，第二双向tvs管的一端接地；

14、所述第十电阻和第十一电阻之间并联有两个第二单向esd二极管，其中一个第二单向esd二极管的输出端连接在第十电阻和第十一电阻之间，输入端连接输入电压；另一个第二单向二极管的输入端连接在第十电阻和第十一电阻之间，输出端接地；

15、所述第三电阻和第十一电阻的输出端之间连接有电容c2；

16、所述第三电阻的输出端并联电容c1的一端，电容c1的另一端接地；所述第十一电阻的输出端并联电容c3的一端，且电容c3的另一端接地。

17、优选的，所述差分放大电路包括：

18、第一放大器，第一放大器的正极输入与第二电压检测输出端连接；

19、第二放大器，第二放大器的正极输入与第一电压检测输出端连接；

20、所述第一放大器和第二放大器的负极之间连接有第七电阻；

21、所述第一放大器的负极与输出端之间并联有第五电阻；所述第二放大器的负极与输出端之间并联有第九电阻；

22、所述第一放大器的输出端连接第三放大器的负极，第二放大器的输出端连接第三放大器的正极；第三放大器的输出端作为整个差分放大电路的输出端，并与输出端口连接；

23、所述第一放大器的输出端与第三放大器的负极之间串联有第六电阻；第二放大器的输出端与第三放大器的正极之间串联有第八电阻；

24、所述第三放大器的负极与输出端之间并联有第二电阻。

25、优选的，所述冷端补偿电路包括补偿器、第四放大器、第十二电阻和第十三电阻；

26、所述补偿器的vo端口与第四放大器的正极连接；第四放大器的输出端串联第十二电阻，第十二电阻的输出端与第三放大器的正极连接；

27、所述第四放大器的负极与输出端连接；且所述第四放大器的正极与vo端口之间并联第十三电阻，第十三电阻的输出端接地；

28、所述补偿器的gnd端口以及r-端口接地。

29、优选的，所述第五电阻、第七电阻以及第九电阻为增益电阻，增益根据热电偶的类型进行设定；

30、所述第二电阻、第六电阻、第八电阻以及第十二电阻为增益电阻，增益为1。

31、一种热电偶测量方法，采用本发明所述的热电偶变送电路实现热电偶的测量，具体测量步骤如下所述：

32、步骤1：通过电路板铜导线将前端滤波电路的第一电压检测端和第二电压检测端分别搭接在热电偶的第一端和第二端；

33、步骤2：通过前端滤波电路获取热电偶参考结的第一端电压值和第二端电压值；

34、步骤3：差分放大电路获取第一端电压值和第二端电压值，并基于差分放大电路所设定的增益进行放大，得到放大后的第一端电压值和第二端电压值；

35、步骤4：通过冷端补偿电路对放大后第一端电压值进行补偿，得到补偿后的第一端电压值；

36、步骤5：通过差分放大电路的单位增益加减电路对补偿后的第一端电压值以及放大后的第二端电压值进行减法运算，得到输出电压；

37、步骤6：根据输出电压、不同类型热电偶的泽贝克常数以及差分放大电路所设定的放大电路增益计算出热电偶的实际温度值。

38、优选的，所述放大电路的增益基于热电偶的类型进行设定。

39、优选的，所述冷端补偿电路中的补偿值经过跟随电路后，叠加到所述单位增益加减电路中。

40、优选的，所述步骤6中额计算公式如下：

41、u5＝α*t1；

42、α＝s*g；

43、式中：u5为差分放大电路输出的电压值；t1为热电偶的热端温度；s为热电偶的泽贝克常数；g为差分放大电路中的放大电路增益；α表示每一度温度所对应的电压。

44、本发明的有益效果包括：

45、本发明通过前端滤波电路保护热电偶传感器传递到电路板的高共模电压，并消除高频共模和差分噪声；通过差分放大电路检测热电偶传感器两种金属材质的热电势差，并消除低频共模噪声；通过冷端补偿电路补偿金属材质与电路板连接处的热电势损失；故本发明通过将冷端补偿电路并联入差分放大电路，对热电势进行采集与校正，并通过分析泽贝克参数差异，实现了热点偶的温度检测；本发明通过上述技术方案实现热电偶的检测，无需采用模数转换电路和数字采集电路，从而降低了整个装置的成本，并且不需要采用嵌入软件进行计算，从而进一步的降低了研发成本。