一种基于铂电阻的宽量程高精度温度测量仪的制作方法

本实用新型涉及温度测量仪的结构设计和应用技术领域，特别提供了一种基于铂电阻的宽量程高精度温度测量仪。

背景技术：

温度测量为人们了解温度、应用温度提供了依据，在实际生产生活中有着广泛的应用，其应用范围从日常生活到科学研究。高精度温度测量技术是提高对周围环境温度的控制的关键，这就使得高精度温度测量技术成为工业发展中不可忽略的因素。因而设计出一种精度高、测温范围广的高精度温度测量仪是非常必要的，这将大大的促进我们社会的发展，给人们的生产生活带来极大的便利。

人们迫切希望获得一种技术效果优良的高精度温度测量仪。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于铂电阻的宽量程高精度温度测量仪。

所述基于铂电阻的宽量程高精度温度测量仪构成如下：电源电路1、恒流源驱动电路2、温度传感器3、信号处理电路4、A/D转换电路5、单片机6、显示器7、储存器8、按键模块9、复位电路10、晶振电路11、温度校准模块12、数据信号处理模块13；其中，电源电路1与恒流源驱动电路2、A/D转换电路5和单片机6构成电连接，恒流源驱动电路2和信号处理电路4构成电连接，所述信号处理电路4包括连接温度传感器3的四根引线的等效电阻，分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中，第一电阻、恒流源驱动电路2、第二电阻和温度传感器3通过导线依次串联构成回路，第三电阻的一端通过导线连接于第一电阻和温度传感器3之间，第三电阻的另一端连接A/D转换电路5的A/D采样补偿线，第四电阻的一端通过导线连接于第二电阻和温度传感器3之间，第四电阻的另一端连接对地补偿线，信号处理电路4通过A/D转换电路5与单片机6相连，显示器7、储存器8、按键模块9、复位电路10和晶振电路11分别与单片机6相连接，按键模块9通过温度校准模块12与数据信号处理模块13相连，数据信号处理模块13与单片机6相连。

所述温度传感器3采用PT100铂电阻传感器，所述恒流源驱动电路2连接温度稳定系数高的高精密电阻，此高精密电阻的温度变化系数是1ppm,即温度变化1℃，其阻值变化为10⁶Ω，所述恒流源驱动电路2输出的电流不能大于4mA。

所述测量方法根据铂电阻所置环境温度变化与电阻阻值接近线性的关系，将测温范围分成若干段，其中每一段是线性的，PT100的分辨率可达1mK，将每一段温度选取两点进行校正，因此理论计算精度可达0.001℃。

所述A/D转换电路5采用24位的LTC2492模数转换器，其精度可达V_REF/2²⁴，V_REF约等于1.1V，利用公式R_t＝R₀(1+At+Bt²+C(t-100)t³)和公式R_t＝(1+At+Bt²)采用数值逼近算法求解。

当铂电阻被放置的环境温度在-200℃～800℃之间变化时，其所置环境温度变化与电阻阻值接近线性的关系。国标规定PT铂电阻在0℃时，其电阻值R₀＝100Ω，其特性曲线如图1所示。

铂电阻主要有电阻和允许两种误差。其中A允许误差等于±(0.15+0.002t),B允许误差等于±(0.30+0.005t),式中t表示温度值。

当-200℃≤t≤0℃时，铂电阻的阻值与温度变化的函数表达式为：

R_t＝R₀(1+At+Bt²+C(t-100)t³) (1)

当0℃≤t≤850℃时，铂电阻的阻值与温度变化的函数表达式为：

R_t＝(1+At+Bt²) (2)

式中，R_t表示t℃时铂电阻的电阻值，R₀表示0℃时铂电阻的电阻值，本文设计过程中选用的电阻是Pt，标准Pt的R₀等于欧姆。A、B、C的值分别为：A＝3.9082×10^-3,B＝-5.80195×10^-7,C＝-4.2735×10^-12。

根据上述原理利用数值逼近算法，取一个数组存有如下数据，程序中设数组为T(K)，该数组中共有24个数据，数据如下：

8388.608,4194.304,2097.152,1048.576,0524.288,0262.144,0131.072,0065.536,0032.768,0016.384,0008.192,0004.096,0002.048,0001.024,0000.512,0000.256,0000.128,0000.064,0000.032,0000.016,0000.008,0000.004,0000.002,0000.001。

程序采用循环累加方式，当K＝1时，将8388.608带入到式(2)中，计算出电阻值，将该值R_T与实际测量的铂电阻阻值R_PT100进行比较，如果比实际测量电阻值大，即R_T＞R_PT100，则，此数据不进行累加，如果比实际测量电阻值小，即，R_T＜R_PT100，则，此数据进行累加。一次循环24次，最终将符合上述条件的T(K)值相加，得到铂电阻温度的计算值。

所述信号处理电路4采用的是改进后的四线制接线法，为保证测量的精度和稳定度。图5中X₁、X₂、X₃、X₄分别是铂电阻传感器的四根引线的等效电阻。以R₄电阻的电压值做为基准电压在本设计中R₄取值是510Ω，基准参考电压、恒流源的设计严重影响着电路的的测量精度和稳定度。基准参考电压V_REF是否稳定且低温漂是保证本文中高精度测温仪具有高精度的重要前提。以三极管8550构成的镜像电流源来减小外界干扰，避免误差。在此基础上串联高精密电阻R₀，此高精密电阻的温度变化系数是1ppm,即温度变化1℃，其阻值变化为10^-6Ω，本设计中R₀取值是Ω。根据电子线路理论，铂电阻PT传感器的电流I为：

基准参考电压V_REF为：

V_Ref＝I×R₄ (4)

PT传感器的电压和精密电阻R₀的电压分别为：

V_PT100＝I×R_PT100 (5)

V_R0＝I×R₀ (6)

最终采取获得PT传感器的电压和精密电阻R₀的电压二者电压的比值，即

从而，消除了恒流源由于温度漂移等因素影响的电流变化，使得输出电压比值与铂电阻成良好的线性关系。

将得到的电压信号通过24位A/D转换器LTC2492进行采样，然后将信号给ATmega32单片机，单片机进行数据处理并保存和显示数据。该电路的设计温度测量的稳定性可以达到1‰。

本实用新型以ATmega32单片机作为控制电路的核心器件，选用了24位LTC2492作为A/D转换器，温度传感器选用了PT100，测温宽度在-200℃～800℃，由于PT100传感器允许通过不高于4mA的电流，最小置入深度不能小于200mm,其精度高达1mK，利用PT100温度随电阻阻值的变化而呈线性变化，采样电路采用了改进的四线制接法，同时采集铂电阻电压和参考电压，并用恒流源为电路提供一个稳定的、持续的电流，消除由于接入引线电阻的误差以及铂电阻激励电流引起的温漂对温度测量的影响。数据处理采用函数逼近算法和温度校正算法，从而实现高精度温度测量，理论计算精度可达0.001℃。

本实用新型满足测量要求，校准后的高精度温度测量仪在测温区间0℃～100℃，测温精度达到千分之五。测温精度高、测温范围广、价格低，具有较为巨大的经济价值和社会价值。

附图说明

图1为铂电阻的特性曲线；

图2为测量温度原理图；

图3为基于铂电阻的宽量程高精度温度测量仪的原理图；

图4为铂电阻四线制接线图；

图5为恒流源驱动电路图；

图6为LTC2492的原理图；

图7按键模块的电路图；

图8基于铂电阻的宽量程高精度温度测量仪工作流程图；

具体实施方式

如图3所示，电源电路1、恒流源驱动电路2、温度传感器3、信号处理电路4、A/D转换电路5、单片机6、显示器7、储存器8、按键模块9、复位电路10、晶振电路11、温度校准模块12、数据信号处理模块13；其中，电源电路1与恒流源驱动电路2、A/D转换电路5和单片机6构成电连接，恒流源驱动电路2和信号处理电路4构成电连接，所述信号处理电路4包括连接温度传感器3的四根引线的等效电阻，分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中，第一电阻、恒流源驱动电路2、第二电阻和温度传感器3通过导线依次串联构成回路，第三电阻的一端通过导线连接于第一电阻和温度传感器3之间，第三电阻的另一端连接A/D转换电路5的A/D采样补偿线，第四电阻的一端通过导线连接于第二电阻和温度传感器3之间，第四电阻的另一端连接对地补偿线，信号处理电路4通过A/D转换电路5与单片机6相连，显示器7、储存器8、按键模块9、复位电路10和晶振电路11分别与单片机6相连接，按键模块9通过温度校准模块12与数据信号处理模块13相连，数据信号处理模块13与单片机6相连。

所述A/D转换电路5采用24位的LTC2492模数转换器，其精度可达V_REF/2²⁴，V_REF约等于1.1V，利用公式R_t＝R₀(1+At+Bt²+C(t-100)t³)和公式R_t＝(1+At+Bt²)采用数值逼近算法求解。

所述按键模块9包括4个控制键，具体为1个ESC键，1个↑方向键和1个↓方向键，4个控制键的一端接地，另一端接I/O口和上拉电阻。

如图1所示，当铂电阻被放置的环境温度在-200℃～800℃之间变化时，其所置环境温度变化与电阻阻值接近线性的关系。国标规定PT铂电阻在0℃时，其电阻值R₀＝100Ω，其特性曲线如图1所示。

铂电阻主要有电阻和允许两种误差。其中A允许误差等于±(0.15+0.002t),B允许误差等于±(0.30+0.005t),式中t表示温度值。

当-200℃≤t≤0℃时，铂电阻的阻值与温度变化的函数表达式为：

R_t＝R₀(1+At+Bt²+C(t-100)t³) (1)

当0℃≤t≤850℃时，铂电阻的阻值与温度变化的函数表达式为：

R_t＝(1+At+Bt²) (2)

式中，R_t表示t℃时铂电阻的电阻值，R₀表示0℃时铂电阻的电阻值，本文设计过程中选用的电阻是Pt，标准Pt的R₀等于欧姆。A、B、C的值分别为：A＝3.9082×10^-3,B＝-5.80195×10^-7,C＝-4.2735×10^-12。

根据上述原理利用数值逼近算法，取一个数组存有如下数据，程序中设数组为T(K)，该数组中共有24个数据，数据如下：

8388.608,4194.304,2097.152,1048.576,0524.288,0262.144,0131.072,0065.536,0032.768,0016.384,0008.192,0004.096,0002.048,0001.024,0000.512,0000.256,0000.128,0000.064,0000.032,0000.016,0000.008,0000.004,0000.002,0000.001。

程序采用循环累加方式，当K＝1时，将8388.608带入到式(2)中，计算出电阻值，将该值R_T与实际测量的铂电阻阻值R_PT100进行比较，如果比实际测量电阻值大，即R_T＞R_PT100，则，此数据不进行累加，如果比实际测量电阻值小，即，R_T＜R_PT100，则，此数据进行累加。一次循环24次，最终将符合上述条件的T(K)值相加，得到铂电阻温度的计算值。

现实中铂电阻温度与电阻之间并不一直满足这样简单的线性关系，受其他条件的影响，存在着偏差。

高精度测温仪选择铂电阻作为测温传感器，铂电阻选用改进的四线制布线法，可有效避免引线电阻给温度测量带来的误差。由恒流电源给铂电阻提供一个稳定的、持续的电流，将铂电阻在温度变化过程中引起的阻值变化转变成电信号后传送到A/D转换器转换成数字信号，再经由单片机接收、分析、处理并对计算结果进行校正，如有必要单片机外界的按键模块可对系统进行初始化操作，最后将单片机处理的数据通过数码管显示出来。其工作原理如图2所示。

铂电阻PT100温度传感器是根据铂电阻随温度变化的特性制成的，当待测环境温度发生变化时，铂电阻的阻值也随之变化，从而将温度信号转换成电阻信号，再通过检测铂电阻的电压值将电阻信号转换成电压信号。24位的LTC2492A/D转换器分别对铂电阻PT的电压和高精密电阻的电压进行读取，并将读取的电压信号转换成数字信号。数字信号传送到ATMEGA32单片机，微处理器会根据预先以函数逼近算法为核心编写的程序对数字信号进行解析运算，从而获得待测环境的测量温度，最后通过数码管显示测量的温度。

所述信号处理电路4采用四线制接线方式，是指温度传感器3即铂电阻的两侧分别接引两根导线，是一种高精度的测温方法。它在二线制接线方法上分别外接一根A/D采样补偿线和一根A/D对地补偿线。其中铂电阻一端的导线将铂电阻的变化转变成电信号，其他两条导线将电信号传送到信号处理器。这样的接线方式将引线电阻的影响完全消减，可用于精度高，距离远的场所。同时注意将恒流源输出的电流控制在4mA以内，避免电流过大导致铂电阻过热而给测量带来误差。

恒流源本身电阻无限大，具有不受温度变化影响的特点，从而被广泛应用于电路的设计之中，其主要作用是为所设计的电路提供一个不随负载变化而变化的恒定电流。在高精度测温仪的设计电路中需要准确的测得铂电阻阻值的变化情况，以便可以将阻值变化转变成电信号，从而转化为数字信号，从而获得待测环境的温度。恒流源是准确测得铂电阻阻值的前提条件。

基准参考电压、恒流源的设计严重影响着电路的测量精度和稳定度。基准参考电压V_REF是否稳定且低温漂是保证本文中高精度测温仪具有高精度的重要前提；同时，为采用四线制接线方式的铂电阻温度传感器提供稳定的恒流源也是非常有必要的，且铂电阻温度传感器的通过电流绝对不能高于4mA。

如图4所示，所述信号处理电路4采用的是改进后的四线制接线法，为保证测量的精度和稳定度。图5中X₁、X₂、X₃、X₄分别是铂电阻传感器的四根引线的等效电阻。以R₄电阻的电压值做为基准电压在本设计中R₄取值是510Ω，基准参考电压、恒流源的设计严重影响着电路的测量精度和稳定度。基准参考电压V_REF是否稳定且低温漂是保证本文中高精度测温仪具有高精度的重要前提。以三极管8550构成的镜像电流源来减小外界干扰，避免误差。在此基础上串联高精密电阻R₀，此高精密电阻的温度变化系数是1ppm,即温度变化1℃，其阻值变化为10^-6Ω，本设计中R₀取值是Ω。根据电子线路理论，铂电阻PT传感器的电流I为：

基准参考电压V_REF为：

V_Ref＝I×R₄ (4)

PT传感器的电压和精密电阻R₀的电压分别为：

V_PT100＝I×R_PT100 (5)

V_R0＝I×R₀ (6)

最终采取获得PT传感器的电压和精密电阻R₀的电压二者电压的比值，即

从而，消除了恒流源由于温度漂移等因素影响的电流变化，使得输出电压比值与铂电阻成良好的线性关系。

将得到的电压信号通过24位A/D转换器LTC2492进行采样，然后将信号给ATmega32单片机，单片机进行数据处理并保存和显示数据。该电路的设计温度测量的稳定性可以达到

1‰。表1高精度温度测量仪仿真数据

根据图5的设计电路和图3系统结构流程框图，本系统电路测试验证通过改变电位器的阻值来模拟铂电阻温度传感器测试，利用福禄克五位半台式多用表8808A测量电位器的阻值进行校准，取部分测量数据如表1所示。根据表1系统测量采样数据，V₁₀₀是表示精密电阻R₀的电压，V_PT100是铂电阻传感器的电压，通过式(7)可计算铂电阻传感器的阻值，再通过式(1)和式(2)求解出温度测量值。经过数据计算，平均误差1.1‰，最大误差4‰。

为保证测量的精度和稳定度，我们设计了一个以510欧姆电阻做基准电压，以三极管8550构成的镜像电流源来减小外界干扰，避免误差。在此基础上串联一个欧姆的高精密电阻，温度变化1℃，此高精密电阻的电阻变化值为10⁶分之一。为保证本文设计的高精度测量仪的测温精度和稳定度，我们采用欧姆高精密电阻和PT分别取模拟电压做比值的方法来获得电压值。其电路设计参见图5。

所述A/D转换电路5主要作用是把模拟信号变成数字信号，本系统独立设计了A/D转换器。ADC选用的是电压分辨率为0.5LSB，1LSB＝V_REF/2²⁴，V_REF的取值范围为0.1～V_CC,24位的LTC2492，它完全符合本系统对精度的要求，LTC2492的设计如图6所示。

为方便高精度测温仪的参数设置和温度的校准，特设计按键模块9，按键模块9包含4个控制按键，他们的功能分别是ESC、ENTER、两个方向键。为实现电路的控制功能，4个控制按键一端接地，另一端接I/O口和上拉电阻。键盘上每一个按键等同于一个机械开关，当键被按下时，电路处于连通状态，此时对应单片机口线为低电平；当按键被松开，整个电路处于断开状态，此时与单片机对应的口线为高电平。按键模块的电路如图7所示。

按键模块9采用独立式按键，可与I/O线直接连接成单个的按键电路，每个按键单独连接一个I/O口线，处于独立状态，这种按键设置方式避免对其他I/O口线产生影响。此电路图的设计采用低电平有效，当按键断开时，上拉电阻保证了I/O口线有高电平。

温度校准模块12主要用于对所测温度的数值进行线性校准，系统所测的温度值的误差主要由传感器的不同、恒流源的差异、模数转换器所引起的误差以及解温度方程所产生的误差等组成，综合看来这些是线性的，可用线性方程来进行修正。其修正方程计算公式为：y＝ax+b,计算之前需先确定方程中的a和b两个参数，通过用两点测量值与标准温度值比较的方法可求得a和b两个参数，将x代入式子：y＝ax+b中，解得的y就是修正后的结果。在确定a和b两个参数的过程中，最好选0℃和℃两个点作为两点测量值。

当-200℃≤t≤0℃时，铂电阻的阻值与温度变化的函数表达式为：

R_t＝R₀(1+At+Bt²+C(t-100)t³) (1)

当0℃≤t≤850℃时，铂电阻的阻值与温度变化的函数表达式为：

R_t＝(1+At+Bt²) (2)

通过系统校正。温度测量仪测试数据如表2和表3所。

表2校准后冰水混合物最终测试数据

表3校准后沸水最终测试数据

根据铂电阻的特性曲线，其修正方程计算公式为：y＝ax+b。通过温度校准参数程序对所测温度的数值进行线性校准，综合考虑恒流源的差异、模数转换器所引起的误差以及解温度方程等所产生的误差可用线性方程来进行修正。计算之前需先确定方程中的a和b两个参数，通过用两点测量值与标准温度值比较的方法可求得a和b两个参数我们选择0℃和℃两个点作为两点测量值来求解a和b两个参数，将x代入式子：y＝ax+b中，解得的y就是修正后的结果。

通过对比校准前后温度测量仪的测量数据可以看出，所述基于铂电阻的宽量程高精度温度测量仪满足测量要求，校准后的高精度温度测量仪在测温区间0℃～100℃，测温精度达到千分之五。测温精度高、测温范围广、价格低，具有较为巨大的经济价值和社会价值。