电阻式传感器及测量系统的制作方法

本发明涉及传感器技术和热工参数测量技术领域，特别是涉及一种电阻式传感器及测量系统，专门应用于300～850℃的高温环境。

背景技术

电阻式传感器将位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器，例如，当其应用于磁浮子式液位测量，测量原理如图1所示，传感器电阻网络r1、r2至rn，其中，r1为液位最高点位置，rn为液位最低点位置，s1、s2至sn对应位置的干簧管，液位到达相应位置后对应的干簧管导通。恒流源电流从t1流向t3，t2与t3点引出差分电压，差分电压越大表示导通的干簧管位置离t点的位置越近，进而表明液位越高。

然而，正常的电阻工作环境的温度最高为180摄氏度，大于该温度电阻将会损坏，无法实现测量功能；详见图2所示，为典型军品电阻随温度变化呈降额曲线图(许用功率曲线图)，其中，当温度超过125摄氏度时电阻的许用功率随温度增加线性降低，直至180摄氏度为零，温度继续增加电阻将会损坏，无法实现正常测量功能，因此，亟需一种电阻传感器使其在800摄氏度的工况环境下工作，同时，兼顾生产成本。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电阻式传感器及测量系统，用于解决现有技术中电阻式传感器无法在工作温度大于300摄氏度的环境下工作的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电阻式传感器，包括：

驱动源以及连接所述驱动源的测量电路，其中，所述测量电路包含第一测量点、第二测量点、第三测量点、多个热电阻与多个采样开关，第一测量点与第三测量点之间串联多个等值热电阻，所述驱动源从第一测量点流向第三测量点，按其流向每个热电阻的末端均对应连接一个采样开关一端，多个采样开关的另一端均连接第二测量点，计算第二、三测量点之间的电压差实现液位测量。

于本发明的一实施例中，所述驱动源为恒压源。

于本发明的一实施例中，所述热电阻为铂电阻。

于本发明的一实施例中，所述电阻式传感器的工作环境为300至850摄氏度。

于本发明的一实施例中，所述采样开关为弹簧开关。

一种电阻式传感器，包括：驱动源以及连接所述驱动源的测量电路，其中，所述测量电路包含第一测量点、第二测量点、第三测量点、多个热电偶与多个采样开关，第一测量点与第三测量点之间串联多个等值热电偶，所述驱动源从第一测量点流向第三测量点，按其流向每个热电偶的末端均对应连接一个采样开关一端，多个采样开关的另一端均连接第二测量点，计算第二、三测量点之间的电压差实现液位测量。

于本发明的一实施例中，所述驱动源为恒压源。

于本发明的一实施例中，所述电阻式传感器的工作环境为300至850摄氏度。

于本发明的一实施例中，所述采样开关为弹簧开关。

本发明还一目的在于提供测量系统，包括：上述的电阻式传感器、放大器与转换电路，所述电阻式传感器输出第二、三测量点之间的电压差至放大器，所述放大器放大所述电压差驱动转换电路输出关于液位差的电流信号。

如上所述，本发明的电阻式传感器及测量系统，具有以下有益效果：

本发明采用电阻式传感器测量液位，使其在高温环境300～850度也能测量液位，同时，随着温度变化其对应的测量精度也不受影响，极大拓展了其在某些特殊领域(如；军工、核电领域)的应用场景。

附图说明

图1显示为传统电阻式传感器应用于磁浮子液位计电路图；

图2显示为采用传统电阻式传感器电阻随温度降额曲线图；

图3显示为传统电阻式磁浮子液位计测量系统框图；

图4显示为本发明的热电阻传感器网络电路图；

图5显示为本发明基于热电阻磁浮子液位计测量系统框图；

图6显示为本发明采用恒压驱动的磁浮子液位计电路图；

图7显示为本发明pt10热电阻分度表。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图4，为本发明的热电阻传感器网络电路图，包括：

驱动源以及连接所述驱动源的测量电路，其中，所述测量电路包含第一测量点t1、第二测量点t2、第三测量点t3、多个热电阻pt与多个采样开关s，第一测量点t1与第三测量点t3之间串联多个等值热电阻pt，所述驱动源从第一测量点t1流向第三测量点t3，按其流向每个热电阻pt的末端均对应连接一个采样开关s一端，多个采样开关s的另一端均连接第二测量点t2，计算第二、三测量点(t2与t3)之间的电压差实现液位测量。

其中，所述驱动源为恒压源，所述热电阻为铂电阻，所述采样开关为弹簧开关，而采用铂电阻的电阻式传感器，由于采用通用pt10的铂电阻作为传感元件，取代了传统的电阻，铂电阻精度高、线性好、耐高温，而且随着温度变化铂电阻的电阻值会产生线性变化，使其工作环境拓展到300至850摄氏度，同时，将传统的恒流源改为了恒压源，保证其的测量精度，在测量液位时，多个弹簧开关s只有一个处于闭合状态而其它均处于断开状态。

具体地，如果采用铂电阻作为传感元件的磁浮子液位计驱动电路仍然采用100ua电流源供电，如图7所示，0℃时pt10阻值10欧姆，250℃时pt10阻值变为19.41欧姆，那么相同的液位，传感器温度从0℃增加至250℃引起的测量误差为

(i*19.41-i*10)/(i*10)＝94.1％(1)

式(1)中，i为恒流源电流，值为100ua，由此可看出：温度变化将引起测量误差剧烈变化，会严重影响测量精度。

在本实施例中，如图6所示，采用高精度恒压源驱动ref＝5v，温度漂移10ppm，全部采用a级pt10铂电阻(误差公式：0.15+0.002*|t|)其中，t为测量点温度，300℃时，最大温度测量误差为：

0.15+0.002*300＝0.75℃

得出300度时电阻误差最大值为21.205±0.0391*0.75＝21.205±0.0293ω

0.0391为pt10每摄氏度变化阻值，在最不利情况下300度时由于温度变化引起的输出电压最大误差为：0.0293/21.205＝1.38‰。

同理，400℃时最大温度测量误差为：

0.15+0.002*400＝0.95℃

得出400度时电阻误差最大值为24.709±0.0391*0.95＝24.709±0.0371ω

在最不利情况下400度时，由于温度变化引起输出电压最大误差为：0.0371/24.709＝1.5‰。

500℃时最大测量误差为：

0.15+0.002*500＝1.15℃

得出500度时电阻误差最大值为28.098±0.0391*1.15＝28.098±0.045ω

在最不利情况下500度时，由于温度变化引起输出电压最大误差为：0.045/28.098＝1.6‰。

600℃时最大测量误差为：

0.15+0.002*600＝1.35℃

得出600度时电阻误差最大值为31.371±0.0391*1.35＝31.371±0.053ω

在最不利情况下600度时，由于温度变化引起的输出电压最大误差为：0.053/31.371＝1.689‰。

700℃时最大测量误差为：

0.15+0.002*700＝1.55℃

得出700度时电阻误差最大值为34.528±0.0391*1.55＝28.098±0.061ω

在最不利情况下700度时，由于温度变化引起的输出电压最大误差为：0.061/34.528＝1.766‰。

800℃时最大测量误差为：

0.15+0.002*800＝1.75℃

得出800度时电阻误差最大值为37.57±0.0391*1.75＝37.57±0.068ω

在最不利情况下800度时，由于温度变化引起输出电压最大误差为：0.068/37.57＝1.81‰。

综上所述，采用上述热电阻的电阻式传感器，即使在如此宽的温度变化区间内，液位计的输出精度也控制在2‰以内，可见其具有良好的应用价值。

另外，温度变化时所有铂电阻都同时增大，以最低点液位干簧管(采样开关)sn的电压为例，分别计算0℃时t2和t3两点间的电压为：

v0＝(5*10)/(500*10)＝10mv(2)

250℃时t2和t3两点间电压为：

v250＝(5*19.41)/(500*19.41)＝10mv(3)

其中，式(2)与(3)中的10、19.41分别为pt10铂电阻0℃、250℃的阻值，500为pt10铂电阻的数量，5为高精度恒压源驱动ref电压，由此可以看出，温度变化对测量精度没有影响，因此，本发明所取得的成果可以使电阻式传感器应用在高温(800℃)的同时又不影响测量精度，极大的拓宽了应用场景。

如图5所示，为本发明基于热电阻磁浮子液位计测量系统框图，包括：

上述的电阻式传感器、放大器与转换电路，所述电阻式传感器输出第二、三测量点(t2与t3)之间的电压差(v+、v-之差)至放大器，所述放大器放大所述电压差vo驱动转换电路输出关于液位差的电流信号(4～20ma)，由于该电流抗干扰能力好、传输较远，当发生故障方便判断短路或断路，同时，便于传感器量程换算。

在图4的基础上，还包括另一种电阻式传感器，包括：驱动源以及连接所述驱动源的测量电路，其中，所述测量电路包含第一测量点、第二测量点、第三测量点、多个热电偶与多个采样开关，第一测量点与第三测量点之间串联多个等值热电偶，所述驱动源从第一测量点流向第三测量点，按其流向每个热电偶的末端均对应连接一个采样开关一端，多个采样开关的另一端均连接第二测量点，计算第二、三测量点之间的电压差实现液位测量。

其中，所述驱动源为恒压源，所述电阻式传感器的工作环境为300至850摄氏度，所述采样开关为弹簧开关。

在本实施例中，相比传统电阻来讲，热电偶依靠两种金属导体两端的温差产生热电势，可以根据电势进行线性换算计算液压，同时，热电偶的工作温度为100～1000摄氏度，也满足图4中的300至850摄氏度。

如图3所示，为采用传统电阻式磁浮子液位计测量系统框图，该电阻网络由高精度恒流源供电，t2和t3两点间v+、v-电压之差与液位成线性关系，该差分电压通过放大器放大后驱动v/i转换电路输出4-20ma电流，实现液位测量。实际应用中电阻传感器网络中的r1＝r2＝rn＝10欧姆，恒流源驱动电流i＝100ua，因此，磁浮子液位计的100ua*10欧姆＝1mv，即，两个干簧管之间的液位高度，本例中为10mm，电阻的数量为500只，即n＝500，量程为500*10＝5m。

放大器输出电压0v时对应液位为0m，放大器输出电压为1mv*500＝500mv时对应液位高度为5m。

综上所述，本发明采用电阻式传感器测量液位，使其在高温环境300～850度也能测量液位，同时，随着温度变化其对应的测量精度也不受影响，极大拓展了其在某些特殊领域(如；军工、核电领域)的应用场景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。