一种多量程铂电阻测温电路与方法与流程

本发明涉及温度测量领域，具体涉及到一种多量程铂电阻测温电路与测温方法。

背景技术：

温度是国际单位制的基本物理量之一,温度检测在工业自动化和科学研究领域应用非常广泛,热电阻测温是基于金属导体的电阻阻值随温度的增加而增加的这一特性来进行温度测量的，热电阻大多数都是由纯金属材料制成，目前应用广泛的测温元件是铂；由于铂的特性稳定,不会因为高低温而引起物理或化学的变化,且测量范围大,可达到-250℃至850℃,测温精度高、示值复现性高等特点。铂电阻和环境温度之间的特性曲线是非线性关系，当测量温度在-250℃<t<0℃时,rt＝r0[1+at+bt²+ct³(t-100)]；当测量温度在0℃≤t≤850℃时,rt＝r0[1+at+bt²]；式中a＝3.9083×10^-3；b＝-5.775×10^-7；c＝4.183×10^-12；根据此关系式可以由铂电阻的电阻阻值得到该阻值对应的温度值。因此利用铂电阻进行测温的电路在各种复杂工业环境中广泛的应用,根据铂电阻的测温范围比较大的特点，常会设计多量程的测温电路来测量温度变化比较大的环境。

目前的多量程铂电阻的在测量电路中选用固定电阻串联在铂电阻上，通过测温芯片计算两者的电压比值来计算具体的铂电阻阻值，并且根据测温芯片对铂电阻的阻值算法，必须满足该固定电阻的阻值大于铂电阻的阻值。然而正如上文中指出的，铂电阻的阻值随温度变化呈现非线性的变化规则，比如以市售的pt100铂电阻为例，在温度接近100℃时，铂电阻的阻值约为138ω，在温度接近500℃时，铂电阻的阻值约为280ω。为了满足不同量程的测量要求，串联的固定电阻的阻值通常选用大于最大量程中铂电阻的最大值，然而这样的选择，在处理小量程时，会使得该固定电阻的阻值与铂电阻的阻值差异过大，这种差异会放大测温芯片内部的误差，导致测量结果出现较大偏差，使得测温电路的精度下降。

技术实现要素：

针对多量程铂电阻测温中小量程精度下降问题，本发明提出了一种多量程铂电阻温度测量电路及测量方法。

本发明的多量程铂电阻温度测量电路，包括恒流源、单刀双掷开关、参考电路、待测电路和测温芯片，所述单刀双掷开关不动端与所述恒流源相连，所述单刀双掷开关的两动端分别对应连接在所述参考电路和所述待测电路上，使得该单刀双掷开关分别控制不同的电路进行工作，其中：

所述参考电路包括恒定电阻和可变电阻，所述待测电路包括待测的铂电阻和与所述参考电路共用的可变电阻，所述恒定电阻和铂电阻具有公共端且串接在所述可变电阻上，所述恒定电阻和铂电阻的另一端分别连接在所述单刀双掷开关的两动端上，所述可变电阻的最大阻值大于所述铂电阻在最大测温点时的阻值，所述可变电阻的最小阻值大于所述恒定电阻的阻值，

所述恒定电阻的两端分别连接在所述测温芯片的第一输入端两端口，所述铂电阻的两端分别连接在所述测温芯片的第二输入端两端口，所述可变电阻的两端还分别连接在所述测温芯片的参考端两端口。

优选的，所述可变电阻为精密电阻网络，包括若干个串联的精密电阻，且每个所述精密电阻通过一单刀单掷开关控制是否接入电路，从而实现该精密电阻网络的阻值可变。

优选的，所述恒定电阻或所述铂电阻与所述精密电阻网络之间，还设有第二多路选择开关，用于控制所述恒定电阻或所述铂电阻是否与所述精密电阻网相连，所述第二多路选择开关至少有三个选择端，其中有一选择端和所述恒定电阻相连，其中两个选择端和所述铂电阻相连接。

优选的，当所述铂电阻为四线制时，与所述铂电阻相连接的两个选择端仅使用其中的一个选择端，当所述铂电阻为三线制时，与所述铂电阻相连接的两个选择端会同时使用。

优选的，所述精密电阻网络与所述测温芯片之间，还设有第一多路选择开关，所述第一多路选择开关用以匹配当前接入电路的所述精密电阻所形成的电阻网络，并将该电阻网络的电压输出给所述测温芯片的参考端。

优选的，所述可变电阻为阻值连续可调的电位器。

优选的，所述恒定电阻与所述可变电阻采用低温度系数电阻，其温度系数至少小于5ppm/℃。

优选的，还包括微控制器，连接在所述测温芯片上，用于对整个测温电路进行控制。

一种匹配多量程铂电阻测温电路的测温方法，其特征在于：

s1：选定测温量程后，计算量程最高温度对应的铂电阻阻值r，控制可变电阻阻值大小，使接入电路的可变电阻阻值大于或等于r；

s2：控制所述单刀双掷开关选中所述参考电路，同时将第二多路选择开关中与所述恒定电阻相连接的选择端闭合，读取测温芯片读数d0；

s3：控制所述单刀双掷开关选中待测电路，同时将第二多路选择开关中与所述铂定电阻相连接的两个选择端其中一个闭合，读取测温芯片读数d1；

s4：当铂电阻为四线制时，则计算铂电阻rpt按照下式计算：

优选的，当所述铂电阻为三线制铂电阻时，在s1～s3步骤之后，进行步骤s4：得到计算铂电阻rpt的计算公式：

s5：控制所述单刀双掷开关选中待测电路，同时将第二多路选择开关中与所述铂定电阻相连接的两个选择端另外一个闭合，读取测温芯片读数d2，根据步骤s3与步骤s5中电流相同，则计算铂电阻引线电阻rl按照下式计算：

由公式(2)与公式(3)相减得到铂电阻阻值计算公式：

本发明的有益效果是：

1.本发明采用可变电阻分别与铂电阻以及恒定电阻相串联设计多量程测温电路，使可变阻值的最大阻值大于铂电阻在最大测温点时的阻值，可变电阻的最小阻值大于恒定电阻的阻值；在处理小量程时，可以通过调整可变电阻的大小，避免了可变电阻与铂电阻的阻值差异过大的问题，降低了测温芯片内部计算误差对测温电路的影响，有效的提高了测温电路的精度。

2.本发明多量程铂电阻测温电路中选用三线制或是四线制的铂电阻来消除引线电阻对测温电路精度的影响，进而提高了测温电路的精度。

附图说明

图1四线制铂电阻的测温电路框图；

图2三线制铂电阻的测温电路框图；

图3四线制铂电阻的原理示意图；

图4三线制铂电阻的原理示意图；

图中：1：恒流源；2：单刀双掷开关(singlepoledualtrough，spdt)；3：恒定电阻；4：铂电阻；5：第二多路选择开关；6：第一单刀单掷开关(singlepolesinglethrow，spst)；7：第二单刀单掷开关；8：可变电阻；9：第一多路选择开关；10：测温芯片；11：微控制器；

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1和图2所示的一种多量程铂电阻测温电路，该电路包括恒流源1、单刀双掷开关2、参考电路、待测电路、测温芯片10和微控制器11；

恒流源1通过单刀双掷开关2为参考电路以及待测电路提供恒定且相同的电流信号，测温芯片10具有两路输入端和一路参考输入端，并且与微控制器11相连接，通过微控制器11对整个测温电路进行控制。

单刀双掷开关2不动端与恒流源1相连，单刀双掷开关2的两动端分别对应连接在参考电路和待测电路上，使得该单刀双掷开关2分别控制不同的电路进行工作；

参考电路包括恒定电阻3和可变电阻8，待测电路包括待测的铂电阻4和与参考电路共用的可变电阻8，恒定电阻3和铂电阻4具有公共端且通过第二多路选择开关5串接在可变电阻8上，第二多路选择开关5至少由三个选择端，其中一个选择端与恒定电阻3相连接，另外的两个选择端与铂电阻4相连接，通过控制第二多路选择开关5来实现恒定电阻3与可变电阻8相串联还是铂电阻4与可变电阻8相串联。

可变电阻8可以是精密电阻网络，精密电阻网络由若干个串联的精密电阻组成，且除最后一个精密电阻外其余每个精密电阻均通过一单刀单掷开关控制是否接入电路，从而实现该精密电阻网络的阻值可变；可变电阻8也可以是阻值连续可调的电位器；通过改变可变阻值8的大小，使可变阻值8的最大阻值大于铂电阻4在最大测温点时的阻值，可变电阻8的最小阻值大于恒定电阻3的阻值。

有一具体的实施例，精密电阻网络由3个串联的精密电阻组成，除最后一个精密电阻外，其余的两个精密电阻分别与第一单刀单掷开关6、第二单刀单掷开关7相并联，通过控制第一单刀单掷开关6与第二单刀单掷开关7是否接入电路，来实现精密电阻网络电阻值的可变。

恒定电阻3和铂电阻4的另一端分别连接在所述单刀双掷开关2的两动端上；恒定电阻3的两端分别连接在所述测温芯片10的第一输入端两端口，铂电阻4的两端分别连接在测温芯片10的第二输入端两端口，可变电阻8的两端还分别连接在测温芯片10的参考端两端口。

为了降低其它电阻元件对测温电路的影响，参考电路中的恒定电阻3和可变电阻8采用低温度系数的电阻，其温度系数至少小于5ppm/℃。

为了降低铂电阻4引线电阻对测温电路的影响，铂电阻4采用如图1所示的四线制铂电阻或如图2所示的三线制铂电阻。

有一具体的实例，如图3和图4所示，恒流源1采用改进版howland电流源电路实现，其中精密电压源采用ref5050idr，opa551构成同相求和电路，opa188构成电压跟随器，为参考电路和待测电路提供恒定的电流信号。单刀双掷开关2采用ti公司的ts5a3154dcur，第一单刀单掷开关6与第二单刀单掷开关7采用ts5a23166dcur，ts5a23166dcur内部集成了两个单刀单掷开关组成。测温芯片10采用ads1247，该芯片具有两路差动输入和一路差动参考输入，具有24位测量精度，通过spi与微处理器通讯，数电部分与模电部分隔离供电。微控制器采用st公司的stm32f103rct6芯片，该芯片具有256kb的flash和48kb的ram，51个通用i/o口。

铂电阻4采用pt100，pt后的100表示它在0℃的阻值为100ω。它的阻值会随着温度的变化而变化，当测量环境温度-250℃<t<0℃时，rpt100＝100[1+at+bt²+ct³(t-100)],当测量环境温度0℃≤t≤850℃时，rpt100＝100(1+at+bt2)；式中，a＝3.9083×10^-3；b＝-5.775×10^-7；c＝4.183×10^-12。第一多路选择开关和第二多路选择开关均采用mux509，mux509具有四个选择端。恒定电阻以及可变电阻均采用具有低温度系数的精密金属箔电阻rj711。

因为市场上pt100铂电阻测温仪范围通常有-50～100℃；-100～300℃；-100～500℃，对照pt100分度表可知，100℃时pt100阻值在138.51ω左右，300℃时pt100阻值在212.05ω左右，500℃时pt100阻值在280.98ω左右，为了满足市场需求，可变电阻可由三个电阻串联而成，分别为r9为50ω、r10为100ω、r11为150ω组成，ts5a23166dcur内部集成两个单刀单掷开关，其中一个单刀单掷开关与电阻r9并联，另一个单刀单掷开关与r10并联，通过控制两单刀单掷开关是否接入电路，从来实现可变电阻阻值的大小的改变，使可变电阻的最大阻值大于铂电阻在最大测温点时的阻值，可变电阻的最小阻值大于恒定电阻的阻值。由r11为150ω，设置恒定电阻为r3为100ω。

在可变电阻8和测温芯片10之间串联着第一多路选择开关mux509：

当电阻r9并联的单刀单掷开关接通时且电阻r10相并联单刀单掷开关的断开时，电阻r9被短路，此时第一多路选择开关mux509的选择端2与测温芯片ads1247连通，为测温芯片ads1247提供电阻r10和电阻r11两电阻串联的两端的参考输入电压；

当电阻r9并联的单刀单掷开关和电阻r10相并联单刀单掷开关同时接通时，电阻r9和电阻r10同时被短路，此时第一多路开关mux509的选择端3与测温芯片ads1247连通，为测温芯片ads1247提供r11两端的参考输入电压；

当电阻r9并联的单刀单掷开关与电阻r10相并联单刀单掷开关同时断开时，第一多路开关mux509的选择端1接通，此时为测温芯片ads1247提供r9、r10、r11三电阻串联的两端的参考输入电压；

当电阻r9并联的单刀单掷开关断开且电阻r10相并联单刀单掷开关的接通时，此时第一多路开关mux509的选择端1接通，此时为测温芯片ads1247提供r9和r11两电阻串联的两端的参考输入电压。

恒定电阻r3以及铂电阻r2通过控制第二多路选择开关mux509，来实现恒定电阻r3与可变电阻相串联以及铂电阻r2与可变电阻相串联。

为了减少引线电阻对测温电路的影响，如图3和图4所示恒定电阻r3的两端采用四线制，当单刀双掷开关和选择端4连接时，与恒定电阻r3相连的线路“2”与线路“4”有电流信号通过，其中线路“2”为电阻r3高端电流端，线路“4”为电阻r3低端电流端，通过第二多路选择开关mux509的选择端3与可变电阻相串联；与恒定电阻r3相连的线路“1”与线路

“3”为测温芯片ads1247提供恒定电阻r3两端的输入电压信号，其中与恒定电阻r3相连的线路“1”为恒定电阻r3高端电压端，与测温芯片ads1247的端口11相连；与r3相连的线路“3”为r3低端电压端，与测温芯片ads1247的端口12相连。

如图3所示，当铂电阻采用4线制时，单刀双掷开关与选择端3相通时，与铂电阻r2相连的线路“2”与线路“4”有电流信号通过，其中线路“2”为铂电阻r2高端电流端，线路“4”为铂电阻r2低端电流端，通过第二多路选择开关mux509的选择端2与可变电阻相串联；与r2相连的线路“1”与线路“3”为测温芯片ads1247提供铂电阻r2两端输入电压信号，其中与铂电阻r2相连的线路“1”为铂电阻r2高端电压端，与测温芯片ads1247的端口9相连，与铂电阻r2相连的线路“3”为铂电阻r2低端电压端，与测温芯片ads1247的端口10相连。

如图4所示，当铂电阻采用三线制时，当单刀双掷开关与选择端3相连且第二多路选择开关通过选择端2与可变电阻串联时，与铂电阻r2相连的线路“3”和线路“1”有电流信号通过，与可变电阻形成串联电路，而与铂电阻r2相连的线路“3”与线路“2”为测温芯片ads1247提供电压输入信号，分别于ads1247端口的9和端口10相连接。为测温芯片ads1247提供电压为铂电阻r2电压和铂电阻r2电压高端引线“3”电压两者电压之和。

当铂电阻采用三线制时，当单刀双掷开关与选择端3相连且第二多路选择开关通过选择端1与可变电阻串联时，与铂电阻r2相连的线路“3”和线路“2”有电流信号通过，与可变电阻形成串联电路；而与铂电阻r2相连的线路“3”与线路“2”同时为测温芯片ads1247提供电压输入信号，分别于ads1247端口的9和端口10相连接。为测温芯片ads1247提供电压为铂电阻r2电压、铂电阻r2电压高端引线“3”电压以及铂电阻r2电压低端引线“2”电压三者电压之和。

如图3所示，铂电阻r2为四线制铂电阻时，一种多量程铂电阻测温电路的测温方法为：

s1：选定测温量程后，计算量程最高温度对应的铂电阻阻值r，控制单刀单掷开关的通断，使可变电阻的阻值大于待测铂电阻的阻值；

s2：控制单刀双掷开关与参考电路相连，第二多路选择开关的选择端3与可变电阻相连，此时恒定电阻r3与可变电阻形成串联电路，通过测温芯片内部计算，读取恒定电阻r3两端电压信号读数d0。

s3:控制单刀双掷开关与待测电路相连，第二多路选择开关的选择端2与可变电阻相连，此时铂电阻r2与可变电阻形成串联电路，通过测温芯片内部计算，读取铂电阻两端电压信号读数d1。

s4:利用通过r3电阻的电流和通过铂电阻r2的电流相同的原则，铂电阻rpt按照下式计算：

式中：rs为恒定电阻r3的阻值。

如图4所示，当铂电阻为三线制铂电阻时，一种多量程铂电阻测温电路的测温方法为：

s1～s2：与四线制铂电阻测温方法中步骤s1～s2相同，读取测温芯片的读数d0。

s3：与四线制铂电阻测温方法中步骤s3相同；读取测温芯片的读数d1；此时读取的为d1为铂电阻r2高端引线电压和铂电阻r2两端电压之和；

s4：利用通过恒定电阻r3电阻的电流和通过铂电阻r2的电流相同的原则，则得：

式中：rl1为铂电阻电压高端引线电压对应的电阻。

s5:控制单刀单掷开关与待测电路相连，第二多路开关的选择端1与可变电阻相连，此时铂电阻r2与可变电阻形成串联电路，通过测温芯片内部计算，此时由测温芯片读取的d2为铂电阻高端引线电压、铂电阻r2两端电压以及铂电阻低端引线电压之和；利用通过恒定电阻r3电阻的电流和通过铂电阻r2的电流相同的原则，则得到公式：

式中：rl2为铂电阻电压低端引线电压对应的电阻。

由公式(2)与公式(3)得到：

由于在设计电路时，为了尽可能小的减少引线误差，设计电阻两端的引线长度相同。

则有rl1＝rl2(5)

由公式(2)与(4)(5)得到三线制铂电阻得计算公式：

通过控制单刀单掷开关是否接入电路，从而实现可变电阻阻值的大小的改变，使可变阻值的最大阻值大于铂电阻在最大测温点时的阻值，可变电阻的最小阻值大于恒定电阻的阻值。在小量程测温时，避免了可变电阻阻值与铂电阻阻值差异过大导致测温电路精度下降得问题，提高了测温电路的精度。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神前提下，各种改进、增加以及取代是可能的。