一种基于铂电阻的温度测量系统及测量方法与流程

本发明涉及现代信息技术领域，主要涉及温度测量领域，尤其涉及一种铂电阻温度测量系统及其测量方法。

背景技术：

温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在科学研究和工业生产领域，温度是各种物质的物理、化学变化的重要条件。在精密化学、生物医药、精密加工、精密仪器等领域对温度控制精度的要求极高，而温度控制的核心正是温度测量，因此研究温度测量系统和测量方法具有重要的意义。

目前，温度测量方法总体上可以分为接触法测温和非接触法测温两大类，其中后者由于利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体的温度，因此，此方法一般在物体温度在1000度以上时精度较高，此时误差可达5～10度。接触法测温选择一种在一定温度范围内随温度变化的物理量作为温度的标志，根据所依据的物理定律，由该物理量的数值显示被测物体的温度，例如利用液体体积的变化来指示温度的玻璃液体温度计、利用压强的变化来指示温度的工业用压力表式温度计、利用电动势的变化来指示温度的热电偶温度计和利用电阻的变化来指示温度的铂电阻温度计。

铂电阻温度计具有精度高、稳定性好、响应快的特点，因而获得了广泛的应用。铂电阻的阻值与温度存在如下式(3)所示的关系：

其中，其中，Rt表示铂电阻阻值，R0为常数，t为温度，系数A＝3.90802×10^-3，B＝-5.8×10^-7，C＝-4.2735×10^-12。铂电阻阻值与温度关系的二次方和三次方项的系数非常小，因此，线性度非常高。基于此关系式，测量温度即可转化为测量铂电阻的阻值，0.05度的测温精度，相当于0.2欧姆的电阻测量精度。

目前基于铂电阻的温度测量方法，基本都需要一个精度很高的电流源或电压源，再利用电桥、或与标准电阻比较电位差再进行放大等方法测量铂电阻的阻值，再经换算得到温度。这些方法面临几个问题：1)高精度电流源的获得一般需要配套一个非常复杂的电路来实现，增加了整个测温电路的复杂度，同时增大了调试的复杂性，降低了整个测温电路的稳定度；2)对电路中元器件的精度、温度稳定度的要求非常高，增加了电路的成本；3)采用集成电流源芯片获得稳定度高的电流是另一个选择，目前在高精度温度测量方面，相关应用并不多。

由于上述原因，本发明人对现有的基于铂电阻的测量温度的系统和测量方法进行了深入研究，以便设计出一种结构简单、调试方便、成本低，精度高的测量系统。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面、一种基于铂电阻的温度测量系统，其特征在于，该温度测量系统包括铂电阻Rt、电流源1、模数转换器2、计算模块、参考电阻R1和分压电阻R2，

所述模数转换器2用于将铂电阻Rt压降与参考电阻R1压降的差值进行模数转换，并将转换结果传递至计算模块，

所述计算模块用于接收所述转换结果，并根据所述结果获得铂电阻Rt的电阻值，进而获得温度值。

第二方面、根据第一方面所述温度测量系统，其特征在于，所述计算模块包括校准模块，所述校准模块用于校准系统误差。

第三方面、根据第一方面所述温度测量系统，其特征在于，所述电流源用于提供电流，优选提供两路大小相同的稳定的电流，和/或

所述计算模块为单片机。

第四方面、根据第三方面所述温度测量系统，其特征在于，所述铂电阻采用三线制，分别为第一引线、第二引线和第三引线，

优选的，所述第一引线线路电阻RW1等于第二引线线路电阻RW2和等于第三引线的线路电阻RW3。

第五方面、根据第三方面所述温度测量系统，其特征在于，所述第二引线线路电阻RW2、参考电阻R1和电流源1串联构成第一回路，

所述铂电阻Rt、第三引线线路电阻RW3和电流源1串联构成第二回路。

第六方面、根据第一方面所述温度测量系统，其特征在于，所述模数转换器2包括放大器3，其中，所述放大器3同相输入端的电位等于第一回路中的电流源的电位，所述放大器3反向输入端的电位等于第二回路中的电流源的电位。

第七方面、根据第一方面所述温度测量系统，其特征在于，所述计算模块通过下式(1)获得铂电阻的电阻值，

其中，Rt代表铂电阻，代表等效参考电阻，代表等效分压电阻，M代表模数转换器的转换结果，A代表放大器的放大倍数。

第八方面、根据第七方面所述温度测量系统，其特征在于，所述等效参考电阻和等效分压电阻通过校准模块计算获得，

优选的，所述等效参考电阻和等效分压电阻通过方程组(2)获得，

其中，Rt1代表第一标准电阻，Rt2代表第二标准电阻，M1和M2分别代表模数转换器的转换结果，A代表放大器的放大倍数。

第九方面、一种基于铂电阻的温度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1)：将第一标准电阻替代铂电阻连入如第一至第七方面任一项所述的温度测量系统，通过模数转换器进行模数转换，并且获得转换结果M1；将第二标准电阻替代铂电阻连入如第一至第七方面任一项所述的温度测量系统，通过模数转换器进行模数转换，并且获得转换结果M2；

步骤2)；通过下式(2)获得等效参考电阻和等效分压电阻并且将所述等效参考电阻和等效分压电阻存入计算模块，

其中，Rt1代表第一标准电阻，Rt2代表第二标准电阻，M1和M2分别代表模数转换器的转换结果，A代表放大器的放大倍数；

步骤3)：将铂电阻连入如第一至第七方面任一项所述的温度测量系统，通过模数转换器进行模数转换，并且获得转换结果M；

步骤4)：通过下式(1)获得所述铂电阻的电阻值，

其中，Rt代表铂电阻，代表等效参考电阻，代表等效分压电阻，M代表模数转换器的转换结果，A代表放大器的放大倍数。

第十方面、根据第九方面所述温度测量方法，其特征在于，所述铂电阻采用三线制，分别为第一引线、第二引线和第三引线，

优选的，所述第一引线线路电阻RW1等于第二引线线路电阻RW2等于第三引线的线路电阻RW3。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)测温精度高；

(2)电子元器件少，而且对电子元器件的精度要求不高，降低成本；

(3)硬件电路结构简单，便于调试，稳定性好，便于生产；

(4)体积小，便于产品小型化，适用于多种工作环境。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的基于铂电阻的温度测量系统的结构示意图。

图2示出一种基于铂电阻的温度测量方法的步骤流程图。

附图标号说明：

1表示电流源

2表示模数转换器

3表示放大器

R1表示参考电阻

R2表示分压电阻

Rt表示铂电阻

Rw1表示第一引线线路电阻

Rw2表示第二引线线路电阻

Rw3表示第三引线线路电阻

REF-和REF+表示模数转换器的模拟参考端的电压

AIN+表示放大器的同相输入端

AIN-表示放大器的反相输入端

Vs表示供电电压

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的一种基于铂电阻的温度测量系统，如图1所示，该系统包括铂电阻Rt、电流源1、模数转换器2、计算模块、参考电阻R1和分压电阻R2。

所述参考电阻R1和分压电阻R2均为实际应用中常用的固定电阻，其阻值固定不可调，包括但不限于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等。

所述电流源1用于提供稳定的电流，优选的，所述电流源用于提供两路大小相同的稳定的电流。

在一个优选的实施方式中，所述电流源1为集成式电流源芯片REF200，所述REF200能提供两路0.1mA的电流，不会使铂电阻产生热效应而影响测量精度。

在一个优选的实施方式中，所述电流源1也可以为两个型号相同的电流源，分别提供一路0.1mA的电流。

所述铂电阻Rt采用三线制，分别为第一引线、第二引线和第三引线，采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，

优选的，所述第一引线线路电阻Rw1等于第二引线线路电阻Rw2和等于第三引线的线路电阻Rw3，即Rw1＝Rw2＝Rw3＝Rw，因此，Rw既能代表第一引线线路电阻又能代表第二引线线路电阻和第三引线线路电阻。

所述第二引线线路电阻Rw2、参考电阻R1和电流源串联构成第一回路，

所述铂电阻Rt、第三引线线路电阻Rw3、电流源和分压电阻R2串联构成第二回路。

所述铂电阻包括Pt10、Pt100和Pt1000。

所述模数转换器2用于将铂电阻Rt的压降与参考电阻R1的压降之间的差值进行模数转换，并将转换结果传递至计算模块，优选的，所述模数转换器2包括放大器3，其中，所述放大器3同相输入端的电位如下式(4)所示，其等于第一回路中的电流源的电位，所述放大器3反向输入端的电位如下式(5)所示，其等于第二回路中的电流源的电位，

UAIN+＝Vs-2(I+I')R2-2(I+I')Rw-(I+I')Rw-(I+I')R1 (4)

UAIN-＝Vs-2(I+I')R2-2(I+I')Rw-IRt-IRw (5)

其中，UAIN+代表放大器同相输入端的电位，UAIN-代表放大器方向输入端的电位，Vs代表供电电压，I代表第一回路的电流，I′代表第一回路的电流与第二回路的电流之间的偏差，在本发明中被称为电流源系统误差。令UAIN＝UAIN+-UAIN-，则

UAIN＝UAIN+-UAIN-＝(Rt-R1)I-(R1+Rw)I' (6)

模数转换器模拟参考端的电压Vref通过下式(7)获得：

通过式(6)和式(7)获得如下式(8)所示的模数转换器的转换结果M：

模数转换器2将所述转换结果M传递至计算模块，计算模块对式(8)进行逆运算获得铂电阻Rt的电阻值，如下式(9)所示，

在实际应用中，电流源的精度很高，因此很小，而且，10米以内的导线，其线路电阻在2欧姆以内，因此式(9)的右端第三项忽略不计，以电流源芯片REF200为例，其电流精度为0.5％，因此式(9)的右端第三项对铂电阻阻值的测量误差在0.02欧姆以内，对应的温度误差在0.005度以内，因此将式(9)的右端第三项忽略。

在一个优选的实施方式中，计算模块包括校准模块，所述校准模块用于校准系统误差I′，所述系统误差包括电流源1系统误差和电阻系统误差，电阻系统误差包括参考电阻R1误差和分压电阻R2误差。

不改变该温度测量系统的硬件设计，对式(9)进行变换，令并且忽略式(9)的右端第三项，则式(9)变为式(10)，

为包含了系统误差信息的等效参考电阻，为包含了系统误差信息的，即所述等效参考电阻和等效分压电阻修正了系统误差，所述系统误差包含了电流源1系统误差、参考电阻R1误差和分压电阻R2误差，所述等效参考电阻和等效分压电阻通过所述校准模块利用方程组(2)计算获得，

其中，Rt1和Rt2均为高精度的标准电阻，用于模拟铂电阻，M1和M2分别代表模数转换器的转换结果，A代表放大器的放大倍数，求解方程组(2)获得等效参考电阻和等效分压电阻的阻值，并且将其存储在校准模块中。

因此，校准模块弥补了电流源芯片精度限制带来的误差，消除了系统误差对测量精度的影响，提高的该系统的测量精度。

在一个优选的实施方式中，所述模数转换器为模数转换芯片ADS1232。

ADS1232是一款高度集成的模数转换器，用于低电平、高精度测量，此芯片由一个低温度漂移、低噪声的仪表放大器和一个连接在单片集成数字滤波器上的高阶限幅自稳调制器组成。所述仪表放大器的放大倍数可设置为1、2、64、128。

计算模块根据存储的等效参考电阻和等效分压电阻通过式(1)获得铂电阻的电阻值，再根据如式(3)所示的铂电阻与温度的关系获得温度值。

在一个优选的实施方式中，所述计算模块为单片机，更优选的，所述单片机为AtMega32。在一个优选的实施方式中，所述供电电压Vs为5伏特。

在一个优选的实施方式中，该温度测量系统的测温精度达到0.05度，相当于0.2欧姆的电阻测量精度。

根据本发明提供的一种基于铂电阻的温度测量方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤1)：将第一标准电阻替代铂电阻连入温度测量系统，通过模数转换器进行模数转换，并且获得转换结果M1；将第二标准电阻替代铂电阻温度测量系统，通过模数转换器进行模数转换，并且获得转换结果M2；

标准电阻一般用于对其他电阻，或带电阻器件的衡量，作为一个标准阻值的参照或比较。

步骤2)；通过下式(2)获得等效参考电阻和等效分压电阻并且将所述等效参考电阻和等效分压电阻存入计算模块，

其中，Rt1代表第一标准电阻，Rt2代表第二标准电阻，M1和M2分别代表模数转换器的转换结果，A代表放大器的放大倍数；

步骤3)：将铂电阻连入温度测量系统，通过模数转换器进行模数转换，并且获得转换结果M；

步骤4)：通过下式(1)获得所述铂电阻的电阻值，

其中，Rt代表铂电阻，代表等效参考电阻，代表等效分压电阻，M代表模数转换器的转换结果，A代表放大器的放大倍数。

实施例

本实施例中电流源采用REF200芯片，模数转换器采用ADS1232芯片，铂电阻采用Pt1000，参考电阻R1为1000欧姆，分压电阻R2为10000欧姆，放大倍数A为64倍，供电电压为5伏特，单片机为AtMega32，等效参考电阻为1000.8165欧姆，等效分压电阻为9976.5156欧姆，进行多次实验，获得多组温度测量值，如表1所示。

表1

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。