CN103411699B - 一种高精度测温仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度测温仪，其包括：恒流源，所述恒流源用以提供稳定的电流；参考电阻，所述参考电阻具有高的阻值稳定性；温度传感器，所述温度传感器对温度进行检测；所述恒流源与所述参考电阻和/或温度传感器进行连接，通过测量参考电阻与温度传感器上的电压获得所述温度传感器的阻值。本发明的高精度测温仪测量范围广，测量精度高，具有更佳的可靠性、更小的尺寸、更轻的重量和更低的成本。

Description

一种高精度测温仪

技术领域

本发明涉及一种测温仪，尤其是涉及一种用于热量表配对温度传感器的高精度数字测温仪。

背景技术

热量表是用于测量热量交换系统所释放热量的仪表，通常用于测量在一个热流回路中流体释放热量多少，是热量计量的基础。热量表主要由流量传感器、配对温度传感器和计算器等部分组成，热量表的基本工作原理是：将配对温度传感器分别安装在热交换回路的入口和出口的管道上，将流量传感器安装在入口或出口管上。流量传感器发出与流量成正比的信号，配对温度传感器给出表示入口和出口的温度信号，计算器则将流量的信号和温度的信号收集起来，经过计算，显示出载热液体从入口流至出口所释放的热量值。

热量表配对温度传感器的温差测量要求精度较高，为了适应测量准确性的要求，测温仪的不确定度应优于5mK。配热量表温度标准的温度传感器一般有两种，标准铂电阻温度计和高精度工业铂电阻温度计，名义电阻值在(0-100)℃约为(25-35)Ω和(100-139)Ω。现有的对配对温度传感器的温度进行测量的测温仪多为测温电桥，且价格很高；而常用的数字多用表的功能主要在电压测量，电阻测量的精度并不高，通常的6位半和7位半数字表，无法满足热量表配对温度传感器温差测量的准确度要求。

目前，现有测温设备的原理是给予被测部分一个激励电流，在施加激励电流后，检测被测部分因为通过激励电流后产生的电势差。再得到这个电势差后，与基准参考电压做对比来获取被测部分的电阻值，再通过计算得到温度值。然而在此测量过程中会存在两个方面的误差：首先，由于需要与基准参考电压进行比较，而基准参考电压随着时间的延长会产生漂移，进入影响所测得的电阻值的准确性，进一步而言，现在能使用上的最好的商业电压基准每年也有5ppm的漂移，并且，这种漂移是不确定的。其次，在温度传感器中还存在有热电势，在常温环境这种热电势对测量所带来的误差尚不大，但是随着被测物体温度与环境温度差值的增加，热电势带来的误差则不可忽视，现有技术的测试方法没有能消除热电势误差，而且每次安装传感器时的不确定同样带来这种误差的不确定。因此上述两种误差是不可修正的。

因此，现有的测温装备无法满足热量表配对温度传感器的高精度的检测需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度测温仪，其能够克服现有的测温仪中存在的误差影响。

本发明提供了一种高精度测温仪，其包括：恒流源，所述恒流源用以提供稳定的电流；参考电阻，所述参考电阻具有高的阻值稳定性；温度传感器，所述温度传感器对温度进行检测；其特征在于：所述恒流源与所述参考电阻和／或温度传感器进行连接，通过测量参考电阻与温度传感器上的电压获得所述温度传感器的阻值。

其中，进一步包括放大器，所述放大器与所述参考电阻或温度传感器进行连接。

其中，进一步包括转换器，所述转换器与放大器连接。

其中，进一步包括微控单元，所述微控单元与所述转换器进行连接。

其中，所述测温仪还具有操控面板，所述操控面板上设置有显示屏。

其中，在操控面板上还设置有至少一个操作按钮。

本发明的高精度测温仪测量范围(0～300)Ω，可选择不同测量单位(℃或Ω)，满足工业中常用温区的要求；双通道输入，可以同时测量和显示；内置90国际温标(ITS-90)不同温区算法、IEC751标准算法和单只传感器分度(分度系数输入计算)算法以及多项式算法；可用于标准铂电阻温度计、工业铂电阻温度计以及特殊要求的电阻温度计的测量；数字滤波技术使得在具备消除噪声的同时，确保具有快速反应能力；优秀的积分非线性使得测试结果可靠；温度波动的彩色曲线能让用户清晰了解所测温度变化过程。内部温度补偿使得通常环境下的使用不需要恒温装置；多种可选通讯界面；触摸屏操作给予用户最大可能的易用性；自动档位切换十分易于使用；全固态设计使数字测温仪有更佳的可靠性、更小的尺寸、更轻的重量和更低的成本。

附图说明

图1示出高精度测温仪的外观结构示意图；

图2示出了高精度测温仪的一个实施例的测温电路示意图；

图3示出了高精度测温仪的另一个实施例的测温电路示意图。

具体实施方式

下面将参照附图中示出的本发明的示例性实施方式来进行详细说明。附图只是为了便于理解发明，其具体示意结构、比例、尺寸和具体的线条形式不作为对本发明的限制。需要声明的是，实施例中给出的是本发明的示意性结构，并不作为对具体结构的限制。

本发明的高精度测温仪，图1给出了其外观结构示意图，该示意图只是为了便于理解本发明所给出的示意性图片，并不作为对其结构以及外观的具体限定，其实际的功能和结构远比图上所给出的复杂，如图1所示，测温仪1包括主体结构，所述主体结构内收纳有各种电路元件；在测温仪1上具有操控面板，所述操控面板上通常可具有显示屏2，所述显示屏2为液晶显示屏或触摸屏，在操控面板上还设置有至少一个操作按钮3，所述操作按钮3可根据具体的功能需要设置具体的按钮数量和操作形式。

图2给出了本发明的测温电路的一个实施例，如图2所示，所述测温电路包括恒流源4，所述恒流源4为电路提供恒定电流，在测量过程中，保持电路中电流的稳定，优选该恒流源4为可变向恒流源，该可变向横流源的电流方向可自动进行改变或根据电路控制进行调整；所述恒流源4可与参考电阻5或温度传感器6进行连接，所述温度传感器6在图2中以电阻形式表示，所述恒流源4通过线路与参考电阻5的第一端10和第二端8进行连接，或者所述恒流源4通过线路与温度传感器6的第一端9和第二端7进行连接；在进行测量时，恒流源4向所述参考电阻5和温度传感器6施加恒定电流，为了获得参考电阻5和温度传感器6上的电势，采用第一连接线11和第二连接线14连接到参考电阻的两侧，采用第三连接线12和第四连接线13连接到温度传感器的两侧；放大器15的第一端与第二连接线14、第四连接线13相邻，在放大器15的第一端位置处可设置模拟开关，以选择所述放大器15的第一端与第二连接线14或第四连接线13进行电连接；放大器15的第二端与第一连接线11、第三连接线12相邻，在放大器15的第二端位置处可设置模拟开关，以选择所述放大器15的第二端与第一连接线11或第三连接线12进行电连接；所述放大器15的第三端与转换器16进行连接，所述转换器16与微控单元17进行连接，所述微控单元优选可为单片机，以对获得的测量数据进行处理和分析，并获得测量结果。

作为本发明的另一个实施例，如图3所示的测温电路。所述测温电路包括恒流源4，所述恒流源4为电路提供恒定电流，在测量过程中，保持电路中电流的稳定，优选该恒流源4为可变向恒流源，该可变向横流源的电流方向可自动进行改变或根据电路控制进行调整；在该测温电路中，所述恒流源4可与参考电阻5和温度传感器6进行串联连接，在进行测量时，恒流源4向所述参考电阻5和温度传感器6施加恒定电流，由于采用串联形式，通过参考电阻5和温度传感器6的电流的大小相同，为了获得施加参考电阻5和温度传感器6上的电势，采用第一连接线11和第二连接线14连接到参考电阻的两侧，采用第三连接线12和第四连接线13连接到温度传感器的两侧；放大器15的第一端与第二连接线14、第四连接线13相邻，在放大器15的第一端位置处可设置模拟开关，以选择所述放大器15的第一端与第二连接线14或第四连接线13进行电连接；放大器15的第二端与第一连接线11、第三连接线12相邻，在放大器15的第二端位置处可设置模拟开关，以选择所述放大器15的第二端与第一连接线11或第三连接线12进行电连接；所述放大器15的第三端与转换器16进行连接，所述转换器16与微控单元17进行连接，以对获得的测量数据进行处理和分析，并获得测量结果。

本发明采用了系统斩波的办法来消除热电势误差，作为配对热量表中温度传感器，在具体的测温环境中，某一个时刻的热电势误差是一个固定方向的，通过对恒流源4中的激励电流方向进行改变，快速交换激励电流的方向改变激励电流产生电势差的方向，但是此时热电势方向是不变的，通过这种手段能够消除热电势带来的误差，并且，因为快速交换激励电流方向，同时也能够消除了系统低频噪声。

在基准方面，本发明摒弃了电压基准作为检测参考的办法，而采用稳定性好得多的电阻作为系统参考，相对于年漂移高达5ppm左右的电压基准来说，参考电阻5能做到2ppm／6年，并且，其温度系数也能保证在0.05ppm，能够适应高精度的测温要求，降低温度测量过程中的不确定度，即便如此低的TCR，也进一步通过线性化进行了校准，彻底消除由此带来的误差，并且，实现全固化设计。

本发明的测温仪是通过比较被施加相等电流的两个电阻之间的电压来测量它们之间的电阻比。如图2所示，显示了该测量电路的基本部分。它们包括电流源、传感器、参考电阻、模拟开关、放大器、模-数转换器(ADC)和微控单元(MCU)。精确恒定的激励电流分别流过参考电阻5和温度传感器6。恒流源4所产生的电流在参考电阻5和温度传感器6上产生一个电压，该电压分别与其电阻值成正比。所述电压使用放大器15和ADC转换器16进行测量，因为一次只能测量其中一个电压，必须使用模拟开关进行切换。在测量时，通过连接第一连接线11和第二连接线14对参考电阻两端的电压进行测量，连接第三连接线12和第四连接线13对温度传感器两端的电压进行测量；对参考电阻5和温度传感器6的电压分别测量两次，在两次测量中电流的方向相反。由于这两个电压测量值是恒定的，因此将它们相减就可以消除偏移电压(包括由热电动势而产生的偏移电压)。因此，一次电阻比测量需要四个电压样值。将这些电压样值相减并相除而得到传感器电阻与参考电阻的比值，使用这种方法可以避免因系统失调、热电势误差和ADC的不准确而造成的误差。根据测量定时的方式，一个原始测量中可包含一个以上的原始比样值。也可以使用数字滤波来降低测量中的噪声。随后，MCU通过将测量到的电阻比乘以参考电阻的已知电阻值来计算传感器的电阻。使用内置的转换算法可以从电阻计算出温度。最后，重新计算统计值，从而实现对温度传感器电阻值的准确测量。

典型电阻测量仪器的准确度受到电气部件稳定性(或缺少某些部件)的严重影响。高精度数字测温仪的设计可消除对因老化或温度而造成的部件变化的敏感度。因为在每次测量过程中，仪器均要对其自身进行重新校准。激励电流、放大器偏置电流、放大器偏移电压、放大器增益、ADC偏移和ADC量程均不会对测量造成影响。仪器测量电阻的准确度只受一个部件(即参考电阻)的漂移的影响。高精度数字测温仪中内置的3个电阻为高质量、密封型、低温度系数金属箔电阻，它们具有2ppm／10年优异的稳定性。

作为进一步的改进，本发明可使用外部标准电阻，这些电阻浸没在一个精密控制的油浴中，可以获得更高的稳定性。

本发明的测温仪的测量范围(0～300)Ω，可选择不同测量单位(℃或Ω)，满足工业中常用温区的要求；采用双通道输入，可以同时测量和显示；内置1990国际温标(ITS-90)不同温区算法、IEC751标准算法和单只传感器分度(分度系数输入计算)算法以及多项式算法；可用于标准铂电阻温度计、工业铂电阻温度计以及特殊要求的电阻温度计的测量；数字滤波技术使得在具备消除噪声的同时，具有快速反应能力；优秀的积分非线性使得测试结果可靠；温度波动的彩色曲线能让用户清晰了解所测温度变化过程。内部温度补偿使得通常环境下的使用不需要恒温装置；多种可选通讯界面；触摸屏操作给予用户极可能大的易用性；自动档位切换更为易于使用；全固态设计使其得数字测温仪有更佳的可靠性、更小的尺寸、更轻的重量和更低的成本。

由具体的实施例以及工作过程的描述，可以方便对本发明进行理解和实施，但本领域技术人员应该理解，本说明书中列举的具体实施方案或实施例，只不过是为了理解本发明的技术内容，在不背离本发明的主旨和范围的情况下，本发明在形式上和细节上可以进行多种改变，本领域技术人员能够根据具体的设计要求，对上述实施例中的各部件进行合理的选择和组合，以及在一定程度上进行的细节和形式上的变化，其依然将落在本发明所要求保护和公开的范围之内。

Claims (4)

1.一种高精度测温仪，其包括：一个恒流源，所述一个恒流源用以提供稳定的电流；参考电阻，所述参考电阻具有高的阻值稳定性；温度传感器，所述温度传感器对温度进行检测；其特征在于：所述一个恒流源与所述参考电阻和/或温度传感器进行连接，其中，在进行测量时，恒流源向所述参考电阻和温度传感器施加恒定电流，为了获得参考电阻和温度传感器上的电势，采用第一连接线和第二连接线连接到参考电阻的两侧，采用第三连接线和第四连接线连接到温度传感器的两侧；进一步包括放大器，所述放大器与所述参考电阻或温度传感器进行连接，放大器的第一端与第二连接线、第四连接线相邻，在放大器的第一端位置处设置模拟开关，以选择所述放大器的第一端与第二连接线或第四连接线进行电连接；放大器的第二端与所述第一连接线、第三连接线相邻，在放大器的第二端位置处设置模拟开关，以选择所述放大器的第二端与第一连接线或第三连接线进行电连接；放大器的第三端与转换器进行连接，通过测量参考电阻与温度传感器上的电压获得所述温度传感器的阻值。

2.如权利要求1所述的高精度测温仪，其特征在于：进一步包括微控单元，所述微控单元与所述转换器进行连接。

3.如权利要求1-2中任一项所述的高精度测温仪，其特征在于：所述测温仪还具有操控面板，所述操控面板上设置有显示屏。

4.如权利要求3所述的高精度测温仪，其特征在于：在操控面板上还设置有至少一个操作按钮。