CN101634595A - 一种高精度铂电阻测温系统及基于该系统的测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度铂电阻测温系统及基于该系统的测温方法，包括RC振荡器(101)、频率测量芯片(102)、参考时钟电路(103)、单片机(104)、液晶显示器(105)和上位机(106)；铂电阻传感器以二线制接法与固定电容一起构成RC振荡器(101)，当温度发生变化时，铂电阻阻值跟随变化，导致振荡器的振荡频率发生变化，从而将铂电阻变化调制为时变频率信号，再用频率测量芯片测量该频率变化量，将测量值送入上位机，在上位机中利用高阶多项式完成频率变化到温度变化的解算，实现利用铂电阻的高精度温度测量，本发明具有测温精度高、实现成本低、稳定性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度测量系统，尤其是一种高精度铂电阻测温系统。
背景技术
温度是国际单位制中7个基本物理量之一。标准铂电阻温度计具有高精度、高灵敏性和高稳定性等特点，因而被广泛应用于智能仪器仪表的温度测量。现有方法大多是先将电阻变化通过电阻桥转换为电压信号，再经过一系列滤波和放大处理后，送入A/D转换器完成温度采集。这类方法需要解决好两个问题：(1)由于温度对铂电阻阻值和放大器带来的影响，系统在环境温度变化时会产生一定的系统误差。在高精确度测量中，寻找有效的温度补偿方法是需要面临的难题之一。(2)随着测量精度的提高，高分辨率A/D转换器的价格大增，导致测量仪器成本过高是所面临的另一个问题。
发明内容
本发明设计的目的是针对现有技术的不足，提供一种低成本、高测量精度的铂电阻测温系统及基于该测温系统的测温方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种高精度铂电阻测温系统，包括RC振荡器、频率测量芯片、参考时钟电路、单片机、液晶显示器和上位机；RC振荡器的输出端与频率测量芯片的输入端连接，参考时钟电路的输出端与频率测量芯片的时钟端连接，频率测量芯片和单片机通过SPI总线连接，单片机分别与液晶显示器、上位机连接；所述RC振荡器包括第一电容C1和铂电阻传感器Rt，其中铂电阻传感器Rt的一端与频率测量芯片的N脚连接，铂电阻传感器Rt另一端分别与频率测量芯片的P脚、第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端接地。
本发明的高精度铂电阻测温系统的单片机与上位机连接方式为无线RS-232串口连接方式。
本发明的高精度铂电阻测温系统的参考时钟电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3、晶体振荡器X1以及反相器IC1；其中第一电阻R1的一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与晶体振荡器X1的一端连接后接地，晶体振荡器X1的另一端与第三电容C3的一端连接后接地，第三电容C3的另一端分别与第二电阻R2的一端、反相器IC1的输入端连接，反相器IC1的输出端分别与第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、频率测量芯片的CLK脚连接。
本发明的高精度铂电阻测温系统单片机采用C8051F021单片机。
本发明还提供一种基于本发明的高精度铂电阻测温系统的测温方法，包括以下步骤，
步骤A，根据频率测量芯片电路得到的频率计数值标定高阶多项式系统，具体为：
①在铂电阻传感器Rt的测温范围内均匀改变恒温槽的温度值，同时分别记录频率计数值与标准温标测得的温度值，得到两组相对应的频率计数值和标准温度值；
②采用高阶多项式对①步中得到的两组相对应的频率计数值和标准温度值进行回归，得到频率计数值与标准温度值的映射关系，求得一组高阶多项式系数；
步骤B，上位机向单片机发送启动采集命令；
步骤C，单片机收到启动采集命令后，打开RC振荡器并开始对震荡频率计数；
步骤D，计数周期结束后，单片机在本地保留计数值，同时也将该计数值发送回上位机；
步骤E，上位机对该计数值进行IIR滤波后，再通过步骤A标定的高阶多项式系数解算出实际温度值。
基于本发明的测温方法中采用的高阶多项式是11阶多项式。
其测量结果分两种方式进行显示，一种以LCD方式在本地显示，另一种通过串口与上位机连接，在上位机中显示并保存。
有益效果：
本发明的有益效果是：
(1)、铂电阻采用二线制接法，与固定电容构成RC振荡器，将铂电阻变化量转换为频率信号，解决了传统方法中不平衡电阻桥所带来的非线性问题；
(2)、铂电阻工作在无源状态，且整个电路有数字芯片组成，免去了温变等不确定性因素引发的补偿问题；
(3)、通过测量频率变化量，直接通过高阶多项式解算铂电阻的阻值变化，从而计算出被测温度值，省去A/D环节，在高精度测温时大幅降低了设备成本；
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的测温方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施做出进一步说明。图1是本发明的结构示意图。
按照图1连接好电路，本发明的高精度铂电阻测温系统，包括RC振荡器101、频率测量芯片102、参考时钟电路103和单片机104，液晶显示器105，上位机106，RC振荡器101包括第一电容C1和铂电阻传感器Rt，铂电阻传感器Rt采用二线制接法，其一端与第一电容C1的一端相连，同时又连接到频率测量芯片102的P脚，另外一端连接到频率测量芯片102的N脚，第一电容C1的另一端接地，频率测量芯片102和单片机104通过SPI总线连接，参考时钟电路103与频率测量芯片102的CLK脚连接，单片机104与液晶显示器105连接，与上位机106通过串口连接。
参考时钟电路103包括第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3、晶体振荡器X1以及反相器IC1；其中第一电阻R1的一端分别与第二电阻R2的一端、第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与晶体振荡器X1的一端连接后接地，晶体振荡器X1的另一端与第三电容C3的一端连接后接地，第三电容C3的另一端分别与第二电阻R2的另一端、反相器IC1的输入端连接，反相器IC1的输出端分别与第一电阻R1的另一端、频率测量芯片102的CLK脚连接。
当温度发生变化时，铂电阻传感器Rt随测量对象的温度变化发生变化导致RC振荡器101的振荡频率发生变化，从而将铂电阻传感器Rt变化调制为时变频率信号，再由单片机104控制频率测量芯片102测量该频率变化量，将测量值送入上位机106，在上位机106中利用IIR滤波器进行滤波后，再用高阶多项式完成频率变化到温度变化的解算，解算出实际温度值。
多项式系数确定方法为：将铂电阻传感器Rt放入标定环境中，在铂电阻传感器Rt的测量范围内均匀改变恒温槽温度，同时记录频率计数值与标准温标得到的温度值，然后用高阶多项式对两组数据进行回归，得到计数值与标准温度值的映射关系，从而得到一组多项式系数，以后测得的新的计数值用该组系数即可算出对应的温度。理论上多项式阶数越高，精度越高，但资源消耗也越大，本发明采用11阶多项式，不但系统标定、校准过程简单，还便于软件自动化实现。
下面根据附图2的流程图具体说明该测温方法。
如图2所示，该测温方法包含4个步骤。
步骤201，上位机106向单片机104发送启动采集命令，本发明采取RS232方式连接上位机106和单片机104，命令帧格式为：起始符，命令字，数据，帧尾，校验字。
步骤202，单片机104收到启动采集命令后，打开RC振荡器101并开始对震荡频率计数。计数周期由用户指定，周期越长采样分辨率越高，但采样频率会降低。如用户不指定采样周期，系统提供默认的采样周期为0.2S，可达到相当于24位的采样分辨率。
步骤203，计数周期结束后，在本地保留计数值，同时也将该计数值发送回上位机106；
步骤204，上位机106对该计数值进行IIR滤波后，再使用标定好的高阶多项式系数解算出实际温度值。
测量结果分两种方式进行显示，一种以LCD方式在本地显示，另一种通过串口与上位机106连接，在上位机106中显示并保存。
Claims (6)
1、一种高精度铂电阻测温系统，其特征在于：包括RC振荡器(101)、频率测量芯片(102)、参考时钟电路(103)、单片机(104)、液晶显示器(105)和上位机(106)；RC振荡器(101)的输出端与频率测量芯片(102)的输入端连接，参考时钟电路(103)的输出端与频率测量芯片(102)的时钟端连接，频率测量芯片(102)和单片机(104)通过SPI总线连接，单片机(104)分别与液晶显示器(105)、上位机(106)连接；所述RC振荡器(101)包括第一电容C1和铂电阻传感器Rt，其中铂电阻传感器Rt的一端与频率测量芯片(102)的N脚连接，铂电阻传感器Rt另一端分别与频率测量芯片(102)的P脚、第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端接地。
2、根据权利要求1所述的高精度铂电阻测温系统，其特征在于：所述单片机(104)与上位机(106)连接方式为无线RS-232串口连接方式。
3、根据权利要求1所述的高精度铂电阻测温系统，其特征在于：所述参考时钟电路(103)包括第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3、晶体振荡器X1以及反相器IC1；其中第一电阻R1的一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与晶体振荡器X1的一端连接后接地，晶体振荡器X1的另一端与第三电容C3的一端连接后接地，第三电容C3的另一端分别与第二电阻R2的一端、反相器IC1的输入端连接，反相器IC1的输出端分别与第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、频率测量芯片(102)的CLK脚连接。
4、根据权利要求1所述的高精度铂电阻测温系统，其特征在于：所述单片机(104)是C8051F021单片机。
5、一种基于权利要求1所述的高精度铂电阻测温系统的测温方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤A，根据权利要求1所述频率测量芯片(102)电路得到的频率计数值标定高阶多项式系统，具体为：
①在铂电阻传感器Rt的测温范围内均匀改变恒温槽的温度值，同时分别记录频率计数值与标准温标测得的温度值，得到两组相对应的频率计数值和标准温度值；
②采用高阶多项式对①步中得到的两组相对应的频率计数值和标准温度值进行回归，得到频率计数值与标准温度值的映射关系，求得一组高阶多项式系数；
步骤B，上位机(106)向单片机(104)发送启动采集命令；
步骤C，单片机(104)收到启动采集命令后，打开RC振荡器(101)并开始对震荡频率计数；
步骤D，计数周期结束后，单片机(104)在本地保留计数值，同时也将该计数值发送回上位机(106)；
步骤E，上位机(106)对该计数值进行IIR滤波后，再通过步骤A标定的高阶多项式系数解算出实际温度值。
6、根据权力要求5所属的基于高精度铂电阻测温系统的测温方法，其特征在于：所述高阶多项式为11阶多项式。
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