CN103063321A - 一种铂电阻测温装置及其测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铂电阻测温装置，包括恒流电路、滤波电路、模数A/D转换器电路、单片机、发光二极管数码管显示电路、RS232接口电路和PC机，所述恒流电路包括第一电阻、第六电阻、第一集成电路和铂电阻；所述模数A/D转换器电路包括模数A/D转换器；所述滤波电路包括第二电阻、第二电容、第五电阻和第一电容。本发明还提供了一种铂电阻测温装置的测温方法。本发明的铂电阻测温装置及其测温方法，温度标定方便，测量精度高，稳定性好；硬件结构简单，便于生产；体积小，便于产品小型化。
Description
技术领域
本发明涉及铂电阻测温领域，涉及一种铂电阻测温装置及其测温方法。
背景技术
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。由于铂电阻的阻值与温度成非线性关系，常用硬件或软件进行数据处理。硬件方面，采用相关电路对铂电阻进行线性补偿，这不但增加了系统的复杂性，而且降低了系统的稳定性；软件方面，常采用“查表法”、“曲线拟合法”等方法处理测量值，标定温度、调试软件将非常复杂。高精度的温度测量，需要高分辨率、高精度的A/D转换器，随着Δ-Σ式高分辨率A/D转换器的普及，使得高精度的温度测量成为可能。
根据函数R(t)= R0 (1+At+Bt2 )，相关文献提出了二次方程求根法，计算铂电阻的温度。它们的方法是：如图1，在恒流源调整阶段，将电流调到某一电流值（如1mA），通过测量铂电阻两端的电压，根据欧姆定律计算出铂电阻阻值（RX），然后求解方程RX= R0 (1+At+Bt2 )的根，得到铂电阻的温度。采用这种方法，测量温度值受如下因数影响：
（1）恒流源电流值的精确度。需对恒流源作精确的调整，对标准电流表的精度有较高要求。需在恒流源电路中增加电流调节部分，减小了电路的稳定性。
（2）模数A/D转换器及相关模拟电路的测量精度。需在模数A/D转换器前面的电路中增加增益调节，用标准电压表对A/D转换器的输出值进行标定，这一过程，同样，减小了电路的稳定性，增加了调试的复杂性，引入了测量误差。
（3）电阻R0值的精度。电阻R0的误差将会引起测量温度的误差。
采用这种二次方程求根法，可以获得较高的测量精度，但它没有能够回避与铂电阻相关的两个参数，即电压值、电流值，给测温装置的生产、调试带来不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、调试方便、稳定性好、精度高的铂电阻测温装置及其测温方法。
本发明所采用的技术方案具体是这样实现的：
本发明提供了一种铂电阻测温装置，包括依次连接的恒流电路、滤波电路、模数A/D转换器电路和单片机，还包括发光二极管数码管显示电路、RS232接口电路和PC机，所述恒流电路包括第一电阻、第六电阻、第一集成电路和铂电阻；所述模数A/D转换器电路包括模数A/D转换器；所述滤波电路包括第二电阻、第二电容、第五电阻和第一电容。
优选地，所述发光二极管数码管显示电路采用MAX7219芯片。
优选地，所述单片机为PIC16F886。
优选地，所述RS232接口电路采用MAX232芯片。
优选地，所述模数A/D转换器为ADS1110。
本发明还提供了一种铂电阻测温装置的测温方法，包括以下步骤：
a.获得标定状态时所述铂电阻的温度；
b.记录标定状态时所述模数A/D转换器的输出数字量DT，所述PC机向所述铂电阻测温装置发命令，要求所述单片机记录步骤a时所述模数A/D转换器的输出数字量DT；
c.记录标定温度T，在所述PC机上键盘输入标定温度T值，所述PC机向所述单片机发送数据，将标定温度T值发送至所述铂电阻测温装置；
d.存储标定温度T和所述模数A/D转换器的输出数字量DT，所述PC机向所述铂电阻测温装置发命令，要求所述单片机将标定温度T、数字量DT 二数值存入所述单片机内部的EEPROM数据存储单元；
e.根据公式计算铂电阻温度。该公式为：
其中：t为被测铂电阻温度；A、B为铂电阻温度特性系数；M=1+AT+BT2，T为已知标定温度值；DT 为标定温度T时模数A/D转换器的转换值；D为温度t时模数A/D转换器的转换值。
优选地，所述步骤a采用标准温度计测量法，将所述铂电阻与标准温度计置于同一恒温环境中，用标准温度计测量铂电阻此时的温度，作为已知的标定温度T。
优选地，所述步骤a采用标准电阻模拟法，用精密标准电阻替换所述铂电阻，模拟所述铂电阻的标定工作状态。精密标准电阻的阻值为已知数值R，与其对应的标定温度T为未知数，根据函数R(t)= R0 (1+At+Bt2 )，求解方程R= R0 (1+AT+BT2 )，得到与精密标准电阻对应的标定温度T。
本发明的铂电阻测温装置及其测温方法，温度标定方便，测量精度高，稳定性好；硬件结构简单，便于生产；体积小，便于产品小型化。
附图说明
图1是本发明实施例的铂电阻测温装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的铂电阻测温装置的电路原理图；
图3是本发明实施例的铂电阻测温装置的测温方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。
图1是本发明实施例的铂电阻测温装置的结构示意图，图2是本发明实施例的铂电阻测温装置的电路原理图,如图1和图2所示，本发明具体实施例的铂电阻测温装置，包括依次连接的恒流电路10、滤波电路20、模数A/D转换器电路30和单片机40，还包括发光二极管数码管显示电路50、RS232接口电路60和PC机70，恒流电路10包括第一电阻R1、第六电阻R6、第一集成电路U1和铂电阻PT；模数A/D转换器电路20包括模数A/D转换器；滤波电路20包括第二电阻R2、第二电容C2、第五电阻R5和第一电容C1。单片机40为PIC16F886，测量结果用发光二极管数码管显示电路50显示，发光二极管数码管显示电路50采用MAX7219芯片，RS232接口电路60采用MAX232芯片，模数A/D转换器为ADS1110，模数A/D转换器ADS1110片内包含一个程控增益放大器，为防止模数A/D转换器输出溢出，需根据最高温度值计算出铂电阻PT阻值，再计算出模数A/D转换器的最大输入电压，以确定程控增益放大器的增益。
本发明具体实施例的铂电阻测温装置的分辨率分析：
模数A/D转换器ADS1110的输出码值为：输出码值＝３２７６８×增益×（Vin+ - Vin-）/2.048V
根据上式计算，0℃时模数A/D转换器ADS1110的输出值为16000；275℃时模数A/D转换器ADS1110的输出值为32768；理论分辨率为：（275℃-0℃）/(32768-16000)=0.016℃/bit。
铂电阻测温装置的误差来源：本发明具体实施例的铂电阻测温装置采用了“比较”的方法，即：将未知状态的物理量与已知状态的物理量作比较，利用恒流源电流不变的特性，消去中间变量（电流值）。计算公式的推导，前提条件是铂电阻的工作电流不变。它不需要一个精确的数值，但要保持恒定，因此，恒流源的稳定性将影响铂电阻测温装置的测量精度。同样的原理，模数A/D转换器基准电压的稳定性也将影响铂电阻测温装置的测量精度。
本发明具体实施例的铂电阻测温装置选择PT100铂电阻传感器为例，说明铂电阻的工作情况。PT100铂电阻的R0=100Ω，集成电路U1的基准电压为2.5V,铂电阻工作电流=U1的基准电压/电阻R6的阻值，即2.5V/2KΩ=1.25mA，0℃时铂电阻的工作电压为100Ω*1.25mA=0.125V。模数A/D转换器ADS1110的基准电压由芯片自身提供，为2.048V, 程控增益设置为8，则最高差分输入电压为：2.048V /8=0.256V，对应的铂电阻阻值为：0.256V/1.25mA=204.8Ω，查PT100分度表，得知此时铂电阻温度约为275℃。所以，该铂电阻测温装置的最高测量温度约为275℃。
本发明具体实施例的铂电阻测温装置采用PC机70（上位机）与单片机40（下位机）通讯方式完成标定参数的设置，分别编写PC机的“发送程序”和单片机的“接收程序”，由PC机向铂电阻测温装置发送标定参数和标定命令，通讯波特率为9600。
数据帧格式为：起始符，数据传送标志，数据高8位，数据低8位，累加和；
命令帧格式为：起始符，命令传送标志，命令字1，命令字2，累加和；
数据帧用来传送标定温度数值，标定温度数值保留小数点后2位，所以，将标定温度数值乘以100作为标定温度的传送参数。该参数用双字节表示，拆分为“数据高8位”和“数据低8位”，下位机收到数据后，将数据合并为双字节数，采用浮点数运算，除以100，还原成实际的标定温度数值。标定温度数值的范围为0～655.35，此范围可以满足实际需要。
命令帧用来控制下位机完成某一操作。命令字2与命令字1相同，为冗余传送校验。
通讯采用双向应答方式，进行累加和校验，确保通讯正确。
铂电阻PT温度特性系数A、B会因为产品规格的不同而不一样，所以A、B值需经常因为产品规格的不同而改变。A、B值的存储可采用如下2种方式。方式1：由PC机(上位机)发送，单片机(下位机)接收，存储在单片机内部的EEPROM存储器中，这种方式改变参数灵活。方式2：直接将A、B值写入程序，存储在单片机的Flash存储器中，采用这种方式，只有在程序固化前才可以改变A、B值，程序一旦写入单片机，参数将无法改变。本测温装置采用方式2，减化了接口软件编程。
下面结合图1对本发明提出的计算公式作详细推导。
铂电阻PT的阻值与温度函数关系如下： （1）-200℃<t<0℃时， R(t)=R0[1+At+Bt2+Ct3（t-100）] （2）0℃≤t<850℃时， R(t)= R0 (1+At+Bt2 )
式中，A、B、C为铂电阻PT的温度特性系数，R0为0℃时铂电阻PT的阻值。
以符合IEC751标准TCR=0.003851的铂电阻Pt100为例，A=3.9083E-3；B=-5.775E-7；C=- 4.183E-12。分析A、B、C三个参数，C的绝对值远小于A、B的绝对值，可见，C对电阻值的影响甚微，在误差允许的范围内，将-200℃<t<0℃时的函数统一为R(t)=R0 (1+At+Bt2 )，即认为-200℃<t<0℃时参数C=0。
模数A/D转换器的输入端为高阻抗，近似开路，所以滤波电路的增益近似为1，模数A/D转换器的输入电压U（t）等于铂电阻两端的电压。
模数A/D转换器输入电压U(t)为：
U(t)= I R(t)= I R0 (1+At+Bt2 ) (1)
其中：I为流过铂电阻PT的电流，由恒流源提供。
当t=T时，U(T)= I R0(1+AT+BT2 ) = I R0*M (2)
其中：M=1+AT+BT2，T为已知标定温度值。
比较（1）、（2）式可得：
U(t)/ U(T)= (1+At+Bt2)/M (3)
在模数A/D转换器中，A/D转换器的输入电压与其输出数字量成比例关系，故有：
U(t)/ U(T)= D/ DT （4）
其中：D为与U(t) 对应的模数A/D转换器输出数字量；
DT为与U(T) 对应的模数A/D转换器输出数字量；
由（3）、（4）得：D/ DT = (1+At+Bt2)/M
整理为： Bt2+At+1- DM/ DT =0 （5）
求解方程（5）式，得：
观察（6）式，A、B为铂电阻的温度系数，是已知量；M=1+AT+BT2，T为已知标定温度值，所以M也为已知量。只要知道了DT ，就可根据模数A/D转换器的采样值D计算出被测温度。因此，在测温装置正常使用前，需要对测温装置进行标定，即，铂电阻在标定温度T环境下，记录模数A/D转换器的输出数字量DT。
图3是本发明实施例的铂电阻测温装置的测温方法流程图，本发明具体实施例的铂电阻测温装置的测温方法，包括以下步骤：
a.获得标定状态时铂电阻PT的温度；
具体方法有以下两种：
1.采用标准温度计测量法；将铂电阻PT与标准温度计置于同一恒温环境中，用标准温度计测量铂电阻PT此时的温度，作为已知的标定温度T。
2.采用标准电阻模拟法；用精密标准电阻替换铂电阻PT，模拟铂电阻PT的标定工作状态，精密标准电阻的阻值为已知数值R，与其对应的标定温度T为未知数，根据函数R(t)= R0 (1+At+Bt2 )，求解方程R= R0 (1+AT+BT2 )，得到与精密标准电阻对应的标定温度T。
以下是采用这两种方法的误差分析：
采用“标准温度计测量法”，获得标定状态时铂电阻PT的温度，由（6）式可知，该温度数值的精度将影响测温装置的精度。因此，标准温度计的测量精度将决定该测温装置的精度。
采用“标准电阻模拟法”，由于标定温度T是由方程R= R0 (1+AT+BT2 )求解获得，R0为0℃时铂电阻的阻值，其值由“铂电阻使用说明书”给出，R0的误差将会引起标定温度T的误差；精密标准电阻阻值存在误差，同样会引起标定温度T的误差；因此，R0值的精度、精密标准电阻的精度将决定该测温装置的精度。
b.记录标定状态时模数A/D转换器的输出数字量DT，PC机70向铂电阻测温装置发命令，要求单片机40记录步骤a时模数A/D转换器的输出数字量DT；
c.记录标定温度T，在PC机70上键盘输入标定温度T值，PC机70向单片机40发送数据，将标定温度T值发送至铂电阻测温装置；
d.存储标定温度T和所述模数A/D转换器的输出数字量DT，PC机70向铂电阻测温装置发命令，要求单片机40将标定温度T、数字量DT 二数值存入单片机40内部的EEPROM数据存储单元；
e.根据公式计算铂电阻温度。该公式特征为：
其中：t为被测铂电阻温度；A、B为铂电阻温度特性系数；M=1+AT+BT2，T为已知标定温度值；DT 为标定温度T时模数A/D转换器的转换值；D为温度t时模数A/D转换器的转换值。
本发明的铂电阻测温装置的测温方法基于铂电阻阻值与温度的函数R(t)= R0 (1+At+Bt2 )，将未知状态的物理量与已知状态的物理量作比较，利用恒流源电流不变的特性，消去中间变量（电流值），建立铂电阻温度与模数A/D转换器输出值的函数关系式，通过运算，计算出铂电阻的温度。
本发明的铂电阻测温装置及其测温方法的优点是：
（1）铂电阻为四线制工作方式，恒流源供电，温度值的测量在一定范围内不受铂电阻引线长度的影响。
（2）硬件结构简单，不需要对铂电阻进行线性补偿，不需要恒流源提供精确的数值，不需要对电路进行精确的调试，测温装置稳定性好，便于生产。
（3）测温装置温度标定方便。采用“标准电阻模拟法”标定时，不需要高端的仪器设备。
（4）由公式计算铂电阻温度值，引入误差小，测量精度高。
（5）铂电阻测温装置舍弃键盘人机对话，采用PC机向铂电阻测温装置传递参数、命令，减小了铂电阻测温装置的体积，便于产品小型化。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种铂电阻测温装置，其特征在于，包括依次连接的恒流电路、滤波电路、模数A/D转换器电路和单片机，还包括发光二极管数码管显示电路、RS232接口电路和PC机，所述恒流电路包括第一电阻、第六电阻、第一集成电路和铂电阻；所述模数A/D转换器电路包括模数A/D转换器；所述滤波电路包括第二电阻、第二电容、第五电阻和第一电容。
2.如权利要求1所述的铂电阻测温装置，其特征在于，所述发光二极管数码管显示电路采用MAX7219芯片。
3.如权利要求1所述的铂电阻测温装置，其特征在于，所述单片机为PIC16F886。
4.如权利要求1所述的铂电阻测温装置，其特征在于，所述RS232接口电路采用MAX232芯片。
5.如权利要求1所述的铂电阻测温装置，其特征在于，所述模数A/D转换器为ADS1110。
6.一种如权利要求1所述的铂电阻测温装置的测温方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.获得标定状态时所述铂电阻的温度；
b.记录标定状态时所述模数A/D转换器的输出数字量DT，所述PC机向所述铂电阻测温装置发命令，要求所述单片机记录步骤a时所述模数A/D转换器的输出数字量DT；
c.记录标定温度T，在所述PC机上键盘输入标定温度T值，所述PC机向所述单片机发送数据，将标定温度T值发送至所述铂电阻测温装置；
d.存储标定温度T和所述模数A/D转换器的输出数字量DT，所述PC机向所述铂电阻测温装置发命令，要求所述单片机将标定温度T、数字量DT 二数值存入所述单片机内部的EEPROM数据存储单元；
e.根据公式计算铂电阻温度；该公式为：
其中：t为被测铂电阻温度；A、B为铂电阻温度特性系数；M=1+AT+BT2，T为已知标定温度值；DT 为标定温度T时模数A/D转换器的转换值；D为温度t时模数A/D转换器的转换值。
7.如权利要求6所述的铂电阻测温装置的测温方法，其特征在于，所述步骤a采用标准温度计测量法，将所述铂电阻与标准温度计置于同一恒温环境中，用标准温度计测量铂电阻此时的温度，作为已知的标定温度T。
8.如权利要求6所述的铂电阻测温装置的测温方法，其特征在于，所述步骤a采用标准电阻模拟法，用精密标准电阻替换所述铂电阻，模拟所述铂电阻的标定工作状态，精密标准电阻的阻值为已知数值R，与其对应的标定温度T为未知数，根据函数R(t)= R0 (1+At+Bt2 )，求解方程R= R0 (1+AT+BT2 )，得到与精密标准电阻对应的标定温度T。
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