一种测温电路

技术领域

本申请涉及电路技术领域，更为具体地说，涉及一种用于气相色谱的测温电路。

背景技术

在气相色谱仪中，温度控制极其重要，温控直接影响色谱柱的分离效能、检测器的灵敏度和稳定性。在利用气相色谱法对物质进行检测时，需要对色谱仪中的各个部件进行温度检测，然而现有色谱仪的温度测量电路大多采用单路测温，单片机通过模数转换器读取PT100电阻值。面对多个部件测温需求时，增加相应测温通道虽然可以实现，但电路结构会较为复杂，测量精度较低，同时增加了成本投入。

具体地，目前广泛采用多路测温电路通常采用几种形式，如：通过4个测温专用芯片(如MAX31865)进行多路温度采集；4路恒流源加4通道AD采集芯片；又或是4路运算放大器加上4通道AD采集芯片；在这些现有的多路测温电路中，电路结构较为复杂，测量精度低，会影响色谱仪测温精度，从而会影响色谱仪的出峰时间，保留时间，定性、定量重复性，投入成本较高，不能满足气相色谱仪中的多路温度采集需求。因此，期望提供一种改进的多路测温电路。

发明内容

本申请实施例提供了一种用于气相色谱的测温电路，包括：温度采集电路，用于采集温度信号，并将温度信号转化为电压信号；故障测试电路，所述故障测试电路和所述温度采集电路并联，用于检测所述温度采集电路的故障；数据处理模块，用于接收所述温度采集电路输出的电压信号，并对所述电压信号进行模数转换，计算出温度信号对应的温度数值；恒流源，用于为所述温度采集电路提供稳定的电流输入；以及电源模块，用于为数据处理电路提供数字电源和模拟电源。其通过采用多路温度采集电路，实现了多路温度信号的采集，其电路结构简洁，测量精度高，提高了气相色谱仪各部件的温度控制能力。

进一步的，本申请所述测温电路还包括：温度采集电路，所述温度采集电路包括一个或多个串联的温度传感器，用于采集一路或多路温度信号。

进一步的，本申请所述测温电路中，所述温度传感器采用两线制接法，所述温度传感器两端均通过阻容滤波电路接入数据处理模块。

进一步的，本申请所述测温电路中，所述故障测试电路包括一个或多个串联的故障测试电阻，所述故障测试电阻数量与所述温度传感器数量相同，所述故障测试电阻和所述温度传感器并联。

进一步的，本申请所述测温电路中，所述测温电路还包括参考电阻，用于为测温电路提供参考电压；所述参考电阻第一端和所述温度采集电路串联，所述参考电阻第二端通过阻容滤波电路接入数据处理模块。

进一步的，本申请所述测温电路中，所述参考电阻阻值与所述故障测试电路中所有故障测试电阻的阻值之和小于3.4K欧姆。

进一步的，本申请所述测温电路中，所述参考电阻阻值为1K欧姆。

进一步的，本申请所述测温电路中，所述故障测试电阻的阻值大于235欧姆且小于600欧姆，优选为330欧姆。

进一步的，本申请所述测温电路中，所述电源模块中的数字电源和模拟电源通过磁珠隔离；数字地和模拟地通过0欧电阻单点连接。

进一步可选的，本申请所述测温电路中，所述恒流源由数据处理模块提供。

进一步可选的，本申请所述测温电路中，所述恒流源由精密恒流源电路提供。

进一步的，本申请所述测温电路中，所述精密参考电压源的参考电压为0.5V。

进一步的，本申请所述测温电路中，所述精密电阻的阻值为500欧姆。

本申请所述测温电路中，所述温度采集电路采用了一个或多个串联的温度传感器，实现了一路或多路温度信号的采集，电路结构简洁，与温度采集并联的故障测试电路不仅可以在任意一路温度传感器发生故障的情况下，保证测温电路的稳定运行，还可以同步检测温度采集电路的故障；温度采集电路中与温度传感器串联的参考电阻可以抵消漂移造成的影响，有效的提高测温精度；精密恒流源电路为测温电路提供了更为稳定的恒流源。综上而言，本申请所述测温电路结构简单，稳定性高，测量精度高，且具备故障自检功能，能够实现气相色谱仪中各部件更稳定、更高效的温度控制。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本申请各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

图1图示了根据本申请实施例的多路测温电路的示意性框图。

图2图示了根据本申请实施例的四路测温电路的示例电路图。

图3图示了根据本申请实施例的微处理器芯片的示例图。

图4图示了根据本申请实施例的电源模块的示意性电路图。

图5图示了根据本申请实施例的由数据处理模块提供恒流源的示意性电路图。

图6图示了根据本申请实施例的恒流源电路的示意性电路图。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

图1图示了根据本申请实施例的多路测温电路的示意性框图。

如图1所示，根据本申请实施例的测温电路100由四部分组成，分别为：温度采集电路110，用于采集温度信号，并将温度信号转化为电压信号；故障测试电路120，和所述温度采集电路110并联，用于检测所述温度采集电路110的故障；数据处理模块130，用于接收所述温度采集电路110输出的电压信号，并对所述电压信号进行模数转换，计算出电压信号对应的温度数值；以及电源模块140，用于为数据处理电路提供数字电源和模拟电源。

具体地，所述温度采集电路110包括一个或多个串联的温度传感器，用于采集一路或多路温度信号。在本申请中，所述温度传感器采用PT100测温电阻，PT100测温其本质是测量传感器的电阻，然后将电阻的变化转换成电压信号。由于PT100的阻值和温度成一定函数关系，即随温度的上升电阻值也跟着上升。将PT100的电阻值和对应的温度做成表格存入FLASH等存储单元中，测温时根据CPU检测到的不同电压值查找对应的温度。在本申请中，所述温度采集电路110通过温度传感器采集温度信号，并将温度信号转化为电压信号输出。

在本申请的一种实施方式中，所述温度传感器采用两线制接法，所述温度传感器两端均通过阻容滤波电路接入数据处理模块130，所述数据处理模块130获取温度传感器两端的电压信号，计算出电压差，从而得出温度传感器阻值的变化，进而得到对应的温度值。

在本申请中，所述温度采集电路包括一个或多个串联的温度传感器，用于采集一路或多路温度信号。本领域技术人员可以根据测温电路需要，对温度传感器数量进行增减，在本申请常用的气相色谱仪中，一般1-4路测温电路即可满足气象色谱仪的温控需求。

图2图示了根据本申请实施例的测温电路的电路示意图。如图2所述，所述测温电路包括四个串联的温度传感器PT00-1、PT00-2、PT00-3、PT00-4，可以采集四路温度信号。数据处理模块采用了ADS1248芯片进行模数转换。ADS1248是1个24位模数转换器(ADC)，其数据转换速率最高可达2ksps(每秒2000次)，通过软件编程，使AIN0和AIN1，AIN2和AIN3，AIN4和AIN5，AIN6和AIN7分别做差分输入的正相输入和负相输入。

在本申请的实施例中，温度传感器均采用两线制接法，温度传感器两端均通过阻容滤波电路接入数据处理模块。例如图2中，4个串联的温度传感器均通过阻容滤波电路，接入ADS1248芯片的AIN0和AIN1，AIN2和AIN3，AIN4和AIN5，AIN6和AIN7口，如：温度传感器PT00-1的第一端通过阻容滤波电路接入ADS1248芯片的AIN0，PT00-1的第二端通过阻容滤波电路接入ADS1248芯片的AIN1口，ADS1248芯片即可将温度传感器两端输出的电压信号转化为数字信号，通过压差监测PT00-1的温度变化。在本实施例中，如图2所示，阻容滤波电路由一个阻值为1KΩ的滤波电阻和电容为100n的滤波电容组成，滤波电阻串接于温度传感器和数据处理模块之间，滤波电容第一端连接于滤波电阻和数据处理模块之间，滤波电容第二端接地。通过该阻容滤波电路，可以消除温度传感器两端输出电压的干扰信号，使信号采集更为精确。如图2所示，与传感器PT00-1相同，PT00-2、PT00-3、PT00-4的两端阻容滤波电路分别连接到ADS1248芯片的AIN2和AIN3，AIN4和AIN5，AIN6和AIN7口。

在本申请中，所述测温电路还包括参考电阻，用于为数据处理模块提供参考电压，参考电阻具有两端，所述参考电阻第一端和所述温度采集电路串联，所述参考电阻第二端通过阻容滤波电路接入数据处理模块。

在本申请的一种实施方式中，如图2所示，测温电路还包括一个参考电阻R11，参考电阻R11和温度采集电路串联，即温度采集电路由四个温度传感器串联，参考电阻R11第一端串联于温度采集电路中四个温度传感器的下端，通过阻容滤波电路接入ADS1248芯片的REFP0接口，ADS1248芯片既可以获取到整个测温电路的参考电压，此处的阻容滤波电路同样由一个阻值为1K的滤波电阻和电容为100n的滤波电容组成。

通常AD转换芯片都会选择一个固定的参考电压，基于这个参考电压得到的转换结果才能更准确，这种固定的参考电压通常有1.024V，2.048V，2.5V，4.096V等。本申请中并未选择固定参考电压，是因为芯片产生的恒流源本身精度不高，而且会随时间、温度变化产生漂移。这个漂移造成的结果就是恒流源在PT100上产生的电压也会发生漂移。如果还是采用固定的参考电压的话，那么AD转换的结果也会产生漂移，造成测温不准确，达不到色谱温控的要求。本申请中，采用参考电阻R11上的电压作为参考电压。由于温度传感器PT100和参考电阻R11是串联关系，如果恒流源发生漂移，那么R11上产生的参考电压也会产生同方向的漂移，这就抵消了漂移造成的影响，能够有效提高测温精度。

由于恒流源的影响可以抵消，那么影响AD转换精度的就是参考电阻R11的精度。在图2所示实施例中，采用的参考电阻阻值为1KΩ(0.1％)的高精度电阻，0.1％是我们通常用到的最高精度的电阻(当然精度越高越好)。温度范围0℃—350℃对应的PT100的阻值为100Ω—235Ω，1mA的恒流源在PT100上产生的电压为0.1V—0.235V。通常被测电压在参考电压的10％—90％区间内才有最好的测量效果，基于此我们选择参考电阻R11阻值为1K。此时参考电压为1V，被测电压在参考电压的10％—90％区间内。

本申请所述测温电路还包括故障测试电路120，所述故障测试电路包括一个或多个串联的故障测试电阻，所述故障测试电阻数量与所述温度传感器数量相同，故障测试电阻为所述故障测试电阻和所述温度传感器并联。具体到本申请的实施例中，如图2所示测温电路，包含四个温度传感器，则温度传感器外侧并联有四个故障测试电阻。在本申请实施例中，四个温度传感器串联采样，但是串联的问题在于四个温度传感器中某一个传感器出现断路故障时，整个温度采集电路无法形成回路，其他温度传感器也无法正常工作。增加故障测试电路正是为了避免出现这种情况。故障测试电路中包括一个或多个故障测试电阻，故障测试电阻和温度传感器并联，当任一温度传感器出现故障时，与之并联的故障测试电阻形成旁路，使得其他的温度传感器仍然可以继续工作，这样使得多路温度测量电路更加稳定。

在本身轻重，所述参考电阻阻值与所述故障测试电路中所有故障测试电阻的阻值之和小于3.4K欧姆。

在本申请中，所述故障测试电阻的电阻值大于235欧姆且小于600欧姆，优选为330欧姆。

在本申请的一种实施方式中，如图2所示，故障测试电阻R1，R2，R3，R4阻值的选择如果大于600Ω，参考电阻R11阻值选择为1KΩ，那么所有故障测试电阻阻值和参考电阻阻值相加R1+R2+R3+R4+R11>3.4K欧姆，正常情况芯片的模拟电压为3.3V，此时芯片没法为PT100正常提供1mA的恒流源，该测量方案失效；R1，R2，R3，R4阻值的选择如果过小，由于它们和PT100是并联关系，同样的温度变化所引起的信号变化也更小，这就降低的测量的灵敏度。所以故障测试电阻的选择原则是大于PT100的最大阻值235Ω，小于600Ω，一般而言，故障测试电阻的阻值在此范围内即可。在本实施例中，故障测试电阻的阻值优选为330Ω。由于此电阻值需和PT100的值进行并联计算，所以该电阻值的稳定性也至关重要，我们同样选择0.1％精度的电阻。

故障测试电阻的存在可以同时为我们提供PT100的故障自检功能。PT100和330Ω的故障测试电阻并联正常阻值范围是76.7Ω—137Ω，恒流源1mA，电压范围是76.7mV—137mV。如果电压值为0表示PT100短路，如果电压值为330mV表示PT100断路，此功能对于色谱仪的自检诊断有很大帮助。

如图2所示实施例的温度采集电路，主要用于气相色谱仪中，其采用了四个温度传感器PT100，和四个阻值为330Ω的故障测试电阻，与所述温度传感器串联的参考电阻阻值为1KΩ，恒流源为1mA。这种温度采集电路可以采集四路温度信号，温度测量精度为0.01℃。

以下讨论温度变化0.01℃信号的变化幅度。

温度变化0.01℃，温度传感器PT100阻值变化约为0.0039Ω。与之串联的故障测试电阻阻值为330Ω。(以下用符号“//”表示并联)

0℃时：330Ω//100Ω＝76.744186Ω

330Ω//100.0039Ω＝76.746483Ω

信号变化1mA*(76.746483Ω-76.744186Ω)＝2.297uV

350℃时：330Ω//235Ω＝137.256637Ω

330Ω//235.0039Ω＝137.257967Ω

信号变化1mA*(137.257967Ω-137.256637Ω)＝1.33uV

在本申请中，所述数据处理模块包括一个模数转换芯片，用于对温度采集电路采集到的电压信号进行模数转换。

在如图2所述的实施例中，模数转换芯片为24位AD转换器ADS1248芯片，在1V的参考电压下，其转换分辨率能达到0.1192uV。理论分析表明，即使是在350℃最不利的条件下，也能够达到0.01℃的测量精度。

在本申请中，所述数据处理模块还包括用于数据计算的微处理器，用于对模数转换芯片将电压信号转换的数字信号进行计算，以得到温度传感器采集的温度数值。在本申请的一种实施例中。如图3所示，微处理器(STC8A8K64S4A12)通过自带的SPI总线接口与模数转换芯片ADS1248进行通信，将RDY信号配置为单片机的外部中断信号INT0。当RDY产生下降沿中断时，单片机通过DI向ADS1248发送三字节的通信切换指令，同时通过DO读取当前通道的24位转换数据。

本申请所述测温电路还包括电源模块，用于为数据处理电路提供数字电源和模拟电源，所述电源模块中的数字电源和模拟电源通过磁珠隔离；数字地和模拟地通过0Ω电阻单点连接。

在本申请的一种实施例中，如图4所示电源模块中，电容C8与极性电容C9并联，一端正极接数字电源VDD5输入，并与磁珠L1和电阻R12串联；另一端负极接GND地，并与电阻R13串联，R13为一个0Ω电阻；极性电容C10的正极与R12的一端相连，负极与电容R13的一端相连，电容C11与电容C10并联，同时电容C11一端输出模拟电源VAA5，一端接A1GND模拟地。

本申请所述测温电路还包括恒流源，为温度采集电路提供稳定的电流输入。在本申请的一种实施例中，如图5所示，所述恒流源由数据处理模块提供。模数转换芯片ADS1248自身就可提供恒定电流，这样可以减少电路设计，降低设计难度。ADS1248引脚IEXC1产生大小为1mA的恒定电流，从ADS1248引脚IEXC1接入温度采集电路的Iin端，为温度采集电路和故障测试电路提供恒定电流。

在本申请的一种实施例中，恒流源还可以由恒流源电路提供，所述精密恒流源电路由精密参考电压源、差动运算放大器、运算放大器和精密电阻构建。其中，所述精密参考电压源为恒流源电路提供了一个基准电压，差动运算放大器和精密电阻将基准电压源转换成一个电流源，电流大小＝基准电压/精密电阻阻值，运算放大电路连接于差动运算放大器和恒流源电路的输出端之间，在此电路中起提高电路性能的作用，起的作用的是减小负载的变化对电流输出大小的影响。

当通过恒流源电路提供恒流源时，不需要模数转换芯片自身提供恒定电流，对芯片的选择范围更大、更灵活，且精度更高。

在本申请的一种实施方式中，如图6所示恒流源电路由U2-ADR130，U3-AD8276，U4-TP5551，精密电阻Rs实现：

U2的作用是提供一个低温漂的精密参考电压源，输入为3.3V，输出为0.5V，温度漂移为25ppm/℃(B级)，Cin，Cout为滤波电容。

U3是一个精密差动运算放大器，我们知道差动运算放大器对电阻匹配的要求度极高，否则会产生很大的匹配误差。U3的特点是将4个匹配电阻Rf1，Rf2，Rg1，Rg2做在芯片内部，出厂前阻值经过激光调整，精度能做到0.01％，且温度漂移极小，为1ppm/℃(B级)。

U4是一个低失调电压、低失调电流的精密运算放大器，其作用是减小由于电流负载的变化对反馈电压的影响。如果省掉U4，将VO2直接接入U3的REF端，则当Iout的负载电阻值发生变化时，Iout会有微小变化，不能保证恒流。

本实施例中，U2为恒流源电路提供了一个基准电压源，U3和电阻Rs将基准电压源转换成一个电流源，电流大小＝基准电压/Rs，U4在此电路中起提高电路性能的作用，起的作用的是减小负载的变化对电流输出大小的影响。

恒流源理论计算如下：

根据运算放大器的特性，各点电压满足如下方程：

(1)(VIN-—V-)/Rf1＝(V-—VO1)/Rf2

(2)(VIN+—V+)/Rg1＝(V+—Vref)/Rg2

(3)Vref＝VO2

(4)V+＝V-

由于Rf1＝Rf2＝Rg1＝Rg2得出VIN+—VIN-＝VO1—VO2

VIN+＝0.5V，VIN-＝0V，因此VO1—VO2＝0.5V。

Rs＝500Ω，Iout＝(VO1—VO2)/Rs＝1mA

之所以选择0.5V的低电压参考电压源和500Ω的电阻Rs，是考虑PT100测量电路的负载电阻最大值为2.32KΩ(330Ω*4+1KΩ)，加上500Ω的电阻Rs，1mA的电流源所需最大电压为2.82V。因此3.3V电源完全可以提供1mA电流源所需电压。如果Rs增加到1K，那么3.3V就没法提供1mA电流源了。

本申请所述的恒流源电路的优点有：

恒流源电路选用的都是低温漂器件，可降低温度变化对电流输出大小的影响；

U3精密差动运算放大器内部的四个电阻出厂前阻值经过激光调整，精度能做到0.01％，匹配度极高。而如果用4个独立电阻加放大器来实现的话，4个电阻很难做到完全匹配，即使完全匹配成本也极高。电阻不匹配的结果是使输出电流精度降低。

普通的恒流源当负载变化时，输出电流会随之产生一定的变化。而本电路中由于加入了反馈放大器U4，保证了输出电流不受负载变化的影响。

恒流源电路的输出端Iout接入温度采集电路的Iin端，为温度采集电路提供稳定的恒流源，温度采集电路说明按照前文中所描述。

综上，在本申请中，模数转换器不限于ADS1248芯片，可选用其他芯片实现模数转换；恒流源测温不限于模数转换器芯片自身提供恒流源，可单独设计电路产生恒流源；测温电路除恒流源测温电路还可采用电桥测温电路。

在气相色谱仪中，温度控制极其重要，温控直接影响色谱柱的分离效能、检测器的灵敏度和稳定性，而温度采集是温度控制的基础，温度采集电路的精确度和灵敏度直接决定气相色谱仪中的温度控制效能。在气相色谱仪的温度控制系统中，需要进行温度控制的主要对象是气化室、色谱柱和检测器。而本申请所述测温电路中，所述温度采集电路采用了一个或多个串联的温度传感器，实现了一路或多路温度信号的采集，不仅完全满足气相色谱仪中的多路控温需求，且电路结构简洁。与温度采集并联的故障测试电路不仅可以在任意一路温度传感器发生故障的情况下，保证测温电路的稳定运行，还可以同步检测温度采集电路的故障；与温度采集电路串联的参考电阻可以抵消漂移造成的影响，有效地提高测温精度；精密恒流源电路为测温电路提供了更为稳定、精度更高的恒定电流。综上而言，本申请所述测温电路结构简单，稳定性高，测量精度高，且具备故障自检功能，能够实现气相色谱仪中各部件更稳定、更高效的温度控制。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。