基于三线制PT100的高精度低温漂测温系统的制作方法

本实用新型属于温度测量技术领域，具体地说，尤其涉及一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温系统。

背景技术：

目前，温度测量法主要有两线测量法、桥式测温法、恒流源三线制测温法。两线制测量方法由于导线电阻带来的附加误差使得实际测量值偏高，一般适用于测量精度要求不高的场合；一般的桥式测温电路的优点是用三根导线将PT100传感器和测量电路连接起来，PT100 传感器两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，这样做虽说可以减少导线电阻所引起的测量误差，但却不能消除测量误差；而由两个恒流源组成的三线制温度测量电路，则要求两个恒流源输出电流完全一致，对两个恒流源的电阻取值要求较高，测量精度很难控制。总之，现有温度测量方法在某个温度范围内可以获得较好的测量精度，但是，一旦超出此温度范围，由于各个器件的温漂特性，会严重影响测量精度。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温系统。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温系统，包括恒流源 U4、直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7、MCU模块U8以及液晶显示器U9，还包括三线制热电阻PT100、常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3以及参考电阻R；所述恒流源U4的输出端经常开型模拟开关U1的K1通道与所述三线制热电阻PT100的1号端子导线连接；所述三线制热电阻 PT100的1号端子还经所述常开型模拟开关U2的K3通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接；所述常开型模拟开关U1的K2 通道一端与所述恒流源U4输出端导线连接，另一端经参考电阻R接地，所述K2通道另一端还经所述常开型模拟开关U2的K4通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接，所述常开型模拟开关U2 的K5通道一端与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接，另一端则接地；所述三线制热电阻PT100的2号端子经所述常开型模拟开关U3的K6通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线相连接；所述三线制热电阻PT100的3号端子接地；所述三线制热电阻PT100 用于将其电阻值转换为易测量的电压值；所述直流偏置电路模块U5 的输出端与所述放大电路模块U6的输入端电信号连接，用于向所述放大电路模块U6提供偏置电压，确定所述放大电路模块U6的静态工作点；所述放大电路模块U6用于将输入的电压信号放大后传递至所述ADC模数转换电路模块U7，由所述ADC模数转换电路模块U7将模拟电压信号转为数字信号后传递至所述MCU模块U8，所述MCU模块 U8再将该信号转换为温度值，由所述液晶显示器U9显示温度。

优选地，所述三线制热电阻PT100的三根导线采用长度、等截面积、相同材质的导线。

优选地，所述常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3的型号均为CD4051。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型的测量精度仅与参考电阻有关，只要参考电阻R选择低温漂高精度的精密电阻就可以实现整个系统的高精度测温，不会受各个元器件的温漂特性而影响到系统的测量精度；

2.本实用新型应用范围广，实现成本低，常开型模拟开关为市面常见器件，高精度低温漂的精密电阻也是市面随处可见，但本实用新型的实用性却很强，巧妙解决了传统测温系统测量精度低、易受器件温漂特性影响的问题，在温度测量技术领域具有非常重要的意义。

附图说明

图1是本实用新型系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温系统，包括恒流源 U4、直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7、MCU模块U8以及液晶显示器U9，还包括三线制热电阻PT100、常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3以及参考电阻R；所述恒流源U4的输出端经常开型模拟开关U1的K1通道与所述三线制热电阻PT100的1号端子导线连接；所述三线制热电阻 PT100的1号端子还经所述常开型模拟开关U2的K3通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接；所述常开型模拟开关U1的K2 通道一端与所述恒流源U4输出端导线连接，另一端经参考电阻R接地，所述K2通道另一端还经所述常开型模拟开关U2的K4通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接，所述常开型模拟开关U2 的K5通道一端与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接，另一端则接地；所述三线制热电阻PT100的2号端子经所述常开型模拟开关U3的K6通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线相连接；所述三线制热电阻PT100的3号端子接地；所述三线制热电阻PT100 用于将其电阻值转换为易测量的电压值；所述直流偏置电路模块U5 的输出端与所述放大电路模块U6的输入端电信号连接，用于向所述放大电路模块U6提供偏置电压，确定所述放大电路模块U6的静态工作点；所述放大电路模块U6用于将输入的电压信号放大后传递至所述ADC模数转换电路模块U7，由所述ADC模数转换电路模块U7将模拟电压信号转为数字信号后传递至所述MCU模块U8，所述MCU模块 U8再将该信号转换为温度值，由所述液晶显示器U9显示温度。

优选地，所述三线制热电阻PT100的三根导线采用长度、等截面积、相同材质的导线。

优选地，所述常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3的型号均为CD4051；

优选地，所述参考电阻R为低温漂高精度的精密电阻。

一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温系统的测量方法，包括如下步骤：

A.在MCU模块U8的程序控制下，打开常开型模拟开关U2的K5 通道，此时所述MCU模块U8的输出测量电压值为V1＝VOS*A(1)，并由所述MCU模块U8记忆存储；其中，VOS为所述直流偏置电路模块U5 的偏置电压，A为放大电路模块U6的放大倍数；

B.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K5通道，打开常开型模拟开关U1的K2通道，和常开型模拟开关U2的K4 通道，将参考电阻R接入到回路中，此时MCU模块U8的输出测量电压值为V2＝(I*R+VOS)*A(2)，并由所述MCU模块U8记忆存储；其中，I为恒流源电流值；

C.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U1的K2通道、常开型模拟开关U2的K4通道，打开常开型模拟开关U1的K1 通道和常开型模拟开关U2的K3通道，将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt以及其中两根导线电阻r1、r2接入到回路中，此时MCU模块 U8的输出测量电压值为V3＝[(Rt+r1+r2)*I+VOS]*A(3)，并由所述MCU模块U8记忆存储；

D.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K3通道，打开常开型模拟开关U3的K6通道，并继续打开常开型模拟开关 U1的K1通道，将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt、三根导线电阻 r1、r2、r3接入到回路中，由于直流偏置电路模块U5呈高阻状态，流经r3上的电流几乎为零，MCU模块U8输出电压即为流经电阻Rt、 r2上的电压值，此时MCU模块U8的输出测量电压值为V4＝[(Rt+r2) *I+VOS]*A(4)，并由所述MCU模块U8记忆存储；

E.由步骤A中的式(1)、步骤B中的式(2)可推导出I＝(V2-V1) /(R*A)(5)；

F.由步骤A中的式(1)、步骤C中的式(3)、步骤D中的式(4)，步骤E中的式(5)可推导出RL＝(V3-V4)/A*I＝[(V3-V4)*R]/(V2- V1)(6)；

G.由步骤C中的式(3)、步骤E中的式(5)、步骤F中的式(6) 可推导出Rt＝(V4/A-VOS)/I-RL＝[(2V4-V1-V3)/(V2-V1)]*R (7)，从式(7)中可知，三线制热电阻PT100的Rt电阻值只与参考电阻R有关，所述参考电阻R为低温漂高精度的精密电阻；所述 MCU模块U8根据式(7)计算出当前环境下的三线制热电阻PT100Rt 电阻值，所述三线制热电阻PT100将该Rt电阻值转换为易测量的电压值，再经所述直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7将电信号传递至所述MCU模块U8，所述MCU模块U8 再将该信号转换为温度值，由所述液晶显示器U9显示温度。

本实用新型包括恒流源U4、直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7、MCU模块U8以及液晶显示器U9，还包括三线制热电阻PT100、常开型模拟开关U1、常开型模拟开关 U2、常开型模拟开关U3以及参考电阻R；所述恒流源U4的输出端经常开型模拟开关U1的K1通道与所述三线制热电阻PT100的1号端子导线连接；所述三线制热电阻PT100的1号端子还经所述常开型模拟开关U2的K3通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接；所述常开型模拟开关U1的K2通道一端与所述恒流源U4输出端导线连接，另一端经参考电阻R接地，所述K2通道另一端还经所述常开型模拟开关U2的K4通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接，所述常开型模拟开关U2的K5通道一端与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接，另一端则接地；所述三线制热电阻PT100 的2号端子经所述常开型模拟开关U3的K6通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线相连接；所述三线制热电阻PT100的3号端子接地；所述三线制热电阻PT100用于将其电阻值转换为易测量的电压值；所述直流偏置电路模块U5的输出端与所述放大电路模块U6的输入端电信号连接，用于向所述放大电路模块U6提供偏置电压，确定所述放大电路模块U6的静态工作点；所述放大电路模块U6用于将输入的电压信号放大后传递至所述ADC模数转换电路模块U7，由所述 ADC模数转换电路模块U7将模拟电压信号转为数字信号后传递至所述MCU模块U8，所述MCU模块U8再将该信号转换为温度值，由所述液晶显示器U9显示温度。本实用新型恒流源U4为0.5mA的恒流源，参考电阻R可以为5ppm的精密电阻，由于普通运算放大器的失调电压小于10mV，因此所述直流偏置电路模块U5的偏置电压设为10mV。常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3可以选用8通道型号为CD4051的芯片，但不局限于此，只要模拟开关能够通过MCU模块U8控制即可。本实用新型的所述直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7、MCU模块U8、液晶显示器U9均为现有技术，并且本实用新型对上述电路模块也不局限于某一种电路设计，只要能实现各模块功能即可，故在此不赘述其电路原理图。

本实用新型测量方法，包括以下步骤：

A.在MCU模块U8的程序控制下，打开常开型模拟开关U2的K5 通道，此时所述MCU模块U8的输出测量电压值为V1＝VOS*A(1)，并由所述MCU模块U8记忆存储；其中，VOS为所述直流偏置电路模块U5 的偏置电压，A为放大电路模块U6的放大倍数；

B.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K5通道，打开常开型模拟开关U1的K2通道，和常开型模拟开关U2的K4 通道，将参考电阻R接入到回路中，此时MCU模块U8的输出测量电压值为V2＝(I*R+VOS)*A(2)，并由所述MCU模块U8记忆存储；其中，I为恒流源电流值；

C.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U1的K2通道、常开型模拟开关U2的K4通道，打开常开型模拟开关U1的K1 通道和常开型模拟开关U2的K3通道，将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt以及其中两根导线电阻r1、r2接入到回路中，此时MCU模块 U8的输出测量电压值为V3＝[(Rt+r1+r2)*I+VOS]*A(3)，并由所述MCU模块U8记忆存储；

D.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K3通道，打开常开型模拟开关U3的K6通道，并继续打开常开型模拟开关U1的K1通道，将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt、三根导线电阻r1、r2、r3接入到回路中，由于直流偏置电路模块U5呈高阻状态，流经r3上的电流几乎为零，MCU模块U8输出电压即为流经电阻Rt、 r2上的电压值，此时MCU模块U8的输出测量电压值为V4＝[(Rt+r2) *I+VOS]*A(4)，并由所述MCU模块U8记忆存储；

E.由步骤A中的式(1)、步骤B中的式(2)可推导出I＝(V2-V1) /(R*A)(5)；

F.由步骤A中的式(1)、步骤C中的式(3)、步骤D中的式(4)，步骤E中的式(5)可推导出RL＝(V3-V4)/A*I＝[(V3-V4)*R]/(V2- V1)(6)；

G.由步骤C中的式(3)、步骤E中的式(5)、步骤F中的式(6) 可推导出Rt＝(V4/A-VOS)/I-RL＝[(2V4-V1-V3)/(V2-V1)]*R (7)，从式(7)中可知，三线制热电阻PT100的Rt电阻值只与参考电阻R有关，所述参考电阻R为低温漂高精度的精密电阻；所述 MCU模块U8根据式(7)计算出当前环境下的三线制热电阻PT100Rt 电阻值，所述三线制热电阻PT100将该Rt电阻值转换为易测量的电压值，再经所述直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7将电信号传递至所述MCU模块U8，所述MCU模块U8 再将该信号转换为温度值，由所述液晶显示器U9显示温度。

三线制热电阻PT100的Rt阻值至于参考电阻R有关，只要参考电阻R选择低温漂高精度的精密电阻就可以实现高精度低温漂的热电阻PT100测温，而市面上高精度、低温漂的精密电阻是很容易获得并且购进成本不高。

本实用新型的测量精度仅与参考电阻有关，只要参考电阻R选择低温漂高精度的精密电阻就可以实现整个系统的高精度测温，不会受各个元器件的温漂特性而影响到系统的测量精度；本实用新型应用范围广，实现成本低，常开型模拟开关为市面常见器件，高精度低温漂的精密电阻也是市面随处可见，但本实用新型的实用性却很强，巧妙解决了传统测温系统测量精度低、易受器件温漂特性影响的问题，在温度测量技术领域具有非常重要的意义。

综上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围，凡依本实用新型权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本实用新型的权利要求范围内。