CN104155024A - 超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路及误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路及误差校正方法，所述稳定电路包括高稳定度恒流源模块，该高稳定度恒流源模块通过一模拟开关IC103连接有传感器，所述传感器又连接有一输入模块，所述输入模块直接或通过一双运放差分前置放大模块连接至一模数转换器IC5，该模数转换器IC5还连接至一单片机IC7，所述稳定电路能够在电路受干扰或电流变化时维护电路稳定，这对提高数字温度计精度帮助很大；所述校正方法通过对传感器的固有误差进行校正，充分挖掘传感器潜在精度，并对环境温度进行补偿，使数字温度计的精度得到了很大的提高，即使匹配工业铂电阻，也能实现标准级的精度，应用场合也更加宽广。

Description

超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路及误差校正方法

技术领域

本发明涉及一种超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路及误差校正方法。

背景技术

当前用作中温范围(-60～+300)℃的标准温度计主要有2种形式：

(1)采用标准玻璃水银温度计，但是标准玻璃水银温度计由于其精度低、示值影响因素多、使用不方便、易粹、有毒等缺点，特别是2013年10月9日～12日，我国参加并签署了《关于汞的水俣公约》，根据该公约全世界所有成员国到2020年将全面禁止包括水银温度计等含汞产品的生产和销售，因此，标准水银温度计必将面临淘汰并退出温度量传系统。

(2)采用高精度温度测量仪表(表头)匹配标准铂电阻传感器组成标准数字温度计，这种标准数字温度计虽然克服了标准玻璃水银温度计的很多缺点，但其自身也存在以下缺点：a、采用交流电时，不仅不方便，且电磁干扰更容易对示值造成影响；b、环境温度要求较高，一般的中温实验室环境常常达不到要求，现场和户外的使用就更加困难了；c、误差指标只局限于匹配标准铂电阻，当匹配工业铂电阻时，其整机误差就完全被传感器的误差所决定，高精度的表头便失去了作用；d、有些是单通道，不能测量恒温槽温场，附加用途小；e、由于标准铂电阻外形尺寸较大(相比精密工业铂电阻)，使其不能用在较小空间的温度测量。

针对现有标准数字温度计存在的缺点，本发明人曾发表了一篇“提高智能仪表整机准确度的一种软件校正方法”的论文，主要讲述了如何利用软件来对传感器的固有误差进行校正，但是经过更深入的研究后，本发明人发现环境温度、电路干扰、电流变化等对仪表精度的影响也很大，因此提出了本发明方案，进一步把匹配工业铂电阻的数字温度计整机准确度提高到标准级的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路及误差校正方法，通过使用稳定电路及对传感器潜在精度进行挖掘，使数字温度计即使匹配工业铂电阻也能达到标准级的精度，且功耗超低，并增加了数字温度计的应用场合，在(5～50)℃范围的环境温度下使用时，测量精度将不受环境温度影响，并可以用于恒温槽温场、微小温差测量等场合。

本发明要解决的技术之一是这样实现的：超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路，所述稳定电路包括：高稳定度恒流源模块、模拟开关IC103、传感器、输入模块、双运放差分前置放大模块、模数转换器IC5及单片机IC7；

所述高稳定度恒流源模块包括低温漂基准电压IC101、低功耗零温漂放大器IC102、电阻R19及电阻R25，所述低温漂基准电压IC101的输入端连接至所述低功耗零温漂放大器IC102的正电源端，该低功耗零温漂放大器IC102的正电源端又分别连接至所述电阻R25和所述模拟开关IC103的引脚2、引脚14，所述电阻R25的另一端还连接一稳定电源，所述低温漂基准电压IC101的公共端连接至所述低功耗零温漂放大器IC102的负电源端，所述低温漂基准电压IC101的输出端依次通过电阻R101、电阻R103连接至所述低功耗零温漂放大器IC102的同相输入端；所述低功耗零温漂放大器IC102的反相输入端依次通过电阻R104、电阻R106连接至所述模拟开关IC103的引脚9和所述电阻R19，该电阻R19又通过电阻R125连接至所述模数转换器IC5的引脚9，所述低功耗零温漂放大器IC102的输出端通过电阻R126连接至所述模拟开关IC103的引脚8；

所述传感器包括第一通道传感器PTD1及第二通道传感器PTD2；所述第一通道传感器PTD1的两端分别与所述模拟开关IC103的引脚4和引脚13连接，所述第二通道传感器PTD2的两端分别与所述模拟开关IC103的引脚5和引脚12连接，且所述第一通道传感器PTD1及第二通道传感器PTD2均与所述电阻R19串联构成比例测量电路，该第一通道传感器PTD1与第二通道传感器PTD2还连接所述输入模块；所述模拟开关IC103的引脚1及引脚16还连接至所述单片机IC7；

所述输入模块直接或通过所述双运放差分前置放大模块连接至所述模数转换器IC5；所述模数转换器IC5的引脚24至引脚27连接至所述单片机IC7。

进一步的，所述高稳定度恒流源模块还包括电容C101、电容C103、电容C104、电阻R102、电容C105、电容C106、电阻R105、电容C107、电容C16、电容C17、电容C18及电容C19，所述低温漂基准电压IC101的输出端与公共端之间并联有所述电容C104，且该低温漂基准电压IC101的输出端还直接连接至所述模拟开关IC103的引脚10；所述电阻R102、电容C105、电容C106的一端分别连接在所述电阻R101与所述电阻R103之间，另一端均连接所述低温漂基准电压IC101的公共端且接地；所述电阻R105、电容C107的一端分别连接在所述电阻R104与所述电阻R106之间，另一端均接地；所述电阻R19、电容C16及电容C17并联且一端均接地；所述电容C101的一端连接在所述低温漂基准电压IC101的输入端与所述低功耗零温漂放大器IC102的正电源端之间，另一端接地；所述电容C103的一端连接所述低功耗零温漂放大器IC102的正电源端，另一端接地；所述电容C18、电容C19的一端分别与所述电阻R25连接，另一端均接地。

进一步的，所述模拟开关IC103的引脚2与引脚14还通过一电容C108接地；所述模拟开关IC103的引脚6通过电阻R107连接至引脚11，且该模拟开关IC103的引脚3与引脚15相连并接地。

进一步的，所述输入模块包括第一通道输入单元及第二通道输入单元；所述第一通道输入单元包括电容C9、电阻R4、电阻R3及电容C109，所述电容C9的一端连接在所述模拟开关IC103的引脚4与所述第一通道传感器PTD1之间，另一端接地；所述电阻R4、电容C109及电阻R3依次相连并连接在所述第一通道传感器PTD1两端，且所述电阻R4与所述电容C109之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚15，所述电阻R3与所述电容C109之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚16；所述第二通道输入单元包括电容C4、电阻R14、电阻R7及电容C112，所述电容C4的一端连接在所述模拟开关IC103的引脚5与所述第二通道传感器PTD2之间，另一端接地；所述电阻R14、电容C112及电阻R7依次相连并连接在所述第二通道传感器PTD2两端，且所述电阻R14与所述电容C112之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚14，所述电阻R7与所述电容C112之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚13。

进一步的，所述双运放差分前置放大模块包括第一通道双运放差分前置放大单元及第二通道双运放差分前置放大单元；所述第一通道双运放差分前置放大单元包括放大器IC104、放大器IC105、电阻R108、电阻R109、电阻R110、电阻R111、电阻R112、电容C110及电容C111，所述放大器IC104与所述放大器IC105的同相输入端分别连接在所述电容C109两端，所述放大器IC104的输出端通过所述电阻R109连接其反相输入端，且该放大器IC104的输出端还通过所述电阻R108连接所述模数转换器IC5的引脚18，所述放大器IC105的输出端通过所述电阻R111连接其反相输入端，且该放大器IC105的输出端还通过所述电阻R112连接所述模数转换器IC5的引脚17，所述放大器IC104的反相输入端通过所述电阻R110与所述放大器IC105的反相输入端连接，所述放大器IC104与所述放大器IC105的负电源端相连且接地、正电源端均连接至所述电阻R25并均通过所述电容C110接地，所述电容C111并联于所述模数转换器IC5的引脚18与引脚17之间；所述第二通道双运放差分前置放大单元包括放大器IC106、放大器IC107、电阻R113、电阻R114、电阻R115、电阻R116、电阻R117、电容C113及电容C114，所述放大器IC106与所述放大器IC107的同相输入端分别连接在所述电容C112两端，所述放大器IC106的输出端通过所述电阻R114连接其反相输入端，且该放大器IC106的输出端还通过所述电阻R113连接所述模数转换器IC5的引脚12，所述放大器IC107的输出端通过所述电阻R116连接其反相输入端，且该放大器IC107的输出端还通过所述电阻R117连接所述模数转换器IC5的引脚11，所述放大器IC106的反相输入端通过所述电阻R115与所述放大器IC107的反相输入端连接，所述放大器IC106与所述放大器IC107的负电源端相连且接地、正电源端均与所述放大器IC105的正电源端连接并通过所述电容C113接地，所述电容C114并联于所述模数转换器IC5的引脚12与引脚11之间。

进一步的，所述模数转换器IC5的引脚9还通过电容C20连接该模数转换器IC5的引脚10，且所述引脚10还接地。

进一步的，所述单片机IC7还连接有存储器T1、存储器T2及温度传感器IC130，且所述存储器T1位于所述第一通道传感器PTD1的插头内，所述存储器T2位于所述第二通道传感器PTD2的插头内。

进一步的，所述电阻R109与所述电阻R111阻值严格匹配，所述电阻R114和所述电阻R116阻值严格匹配。

进一步的，所述传感器需要进行老化，具体老化工艺如下：

①用超级电桥对传感器在-60℃、0℃、100℃、200℃、300℃进行误差值测量，得到传感器第1次误差值数据；

②将传感器放入420℃的长炉中老化96h,等自然冷却后取出，重新在①所选的温度点测量误差值，得到第2次误差值数据，然后计算两次误差值数据之差记为第一次老化变化值；

③再将传感器放入420℃的长炉中老化96h，等自然冷却后取出，重新在①所选的温度点测量误差值，得到第3次误差值数据，再计算本次误差值数据与前次误差值数据之差记为第二次老化变化值；

④继续重复③的过程，直到前后2次老化变化值小于0.005℃时，才完成老化。

本发明要解决的技术问题之二是这样实现的：超低功耗高精度标准数字温度计误差校正方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、将固有误差的校正值保存到传感器中并利用软件对测量值进行自动修正：利用实时校正法、证书校正法或自我溯源法对传感器进行校正并形成校正记录，同时将该校正记录保存到传感器中；之后利用保存在传感器中的校正数据计算出测量值x的修正值c，则修正后的示值x_c为：

x_c＝x+c；

步骤2、引入环境温度补偿：环境温度t对测量值x的影响，采用下面数学模型表示：

dx/dt＝a+k×x，

当环境温度偏离Δt时，经环境温度修正的最终示值x_ca为：

x_ca＝(a+k×x_c)×Δt+x_c，

其中，a、k表示环境温度影响系数。

进一步的，所述步骤2中的环境温度影响系数a、k是在仪表出厂前，通过测量得到，并保存在存储器中以备使用；具体做法是在环境温度为t1下，分别输入标准温度值信号x1、x2，读出仪表示值分别为D1、D3；在环境温度为t2下，再分别输入标准温度值信号x1、x2，读出仪表示值分别为D2、D4，之后通过以下公式求出环境温度影响系数：

$k=\frac{(D4-D3)-(D2-D1)}{(t2-t1)\×(x2-x1)}.$

$a=\frac{D2-D1}{t2-t1}-k\×x1$

进一步的，所述步骤1中的校正记录包括校正点、校正值、校正日期及校正点数。

本发明具有如下优点：1、对传感器的固有误差进行了校正，充分挖掘了传感器的潜在精度，实现了即使采用工业铂电阻传感器也能达到标准级精度；2、对环境温度进行补偿，使得数字温度计的应用场合更宽广，且在(5～50)℃范围的环境温度中使用时，测量精度将不受环境温度影响；3、采用高稳定度硬件电路，使电流变化对示值影响大大减小了，且功耗超低，整机功耗电流小于2mA；4、精度较高，且采用双通道，可用于恒温槽温场或微小温差的测量。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路的电路结构图。

图2为本发明中校正记录的存储格式图。

图3为本发明中软件自动修正的函数示意图。

具体实施方式

请参照图1所示，本发明超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路，主要包括：高稳定度恒流源模块1、模拟开关IC103、传感器、输入模块2、双运放差分前置放大模块3、模数转换器IC5及单片机IC7；

所述高稳定度恒流源模块1包括低温漂基准电压IC101(这里选用5ppm/℃低温漂1.25V低功耗基准电压)、低功耗零温漂放大器IC102(这里选用0.05μV/℃低功耗低温漂运放，因为其带宽较窄，对抑制高频有利)电阻R19(这里选用2ppm/℃标准电阻，且阻值为1250Ω)及电阻R25，所述低温漂基准电压IC101的输入端连接至所述低功耗零温漂放大器IC102的正电源端，该低功耗零温漂放大器IC102的正电源端又分别连接至所述电阻R25和所述模拟开关IC103的引脚2、引脚14，所述电阻R25的另一端还连接一稳定电源，且该稳定电源为+3.3V，所述低温漂基准电压IC101的公共端连接至所述低功耗零温漂放大器IC102的负电源端，所述低温漂基准电压IC101的输出端依次通过电阻R101、电阻R103连接至所述低功耗零温漂放大器IC102的同相输入端；所述低功耗零温漂放大器IC102的反相输入端依次通过电阻R104、电阻R106(这里选电阻R106的阻值为470Ω，它可有效防止低功耗零温漂放大器IC102输出电流的波动)连接至所述模拟开关IC103的引脚9和所述电阻R19，该电阻R19又通过电阻R125连接至所述模数转换器IC5的引脚9，所述低功耗零温漂放大器IC102的输出端通过电阻R126连接至所述模拟开关IC103的引脚8。

所述高稳定度恒流源模块还包括电容C101、电容C103、电容C104、电阻R102、电容C105、电容C106、电阻R105、电容C107、电容C16、电容C17、电容C18及电容C19，所述低温漂基准电压IC101的输出端与公共端之间并联有所述电容C104，且该低温漂基准电压IC101的输出端还直接连接至所述模拟开关IC103的引脚10；所述电阻R102、电容C105、电容C106的一端分别连接在所述电阻R101与所述电阻R103之间，另一端均连接所述低温漂基准电压IC101的公共端且接地；所述电阻R105、电容C107的一端分别连接在所述电阻R104与所述电阻R106之间，另一端均接地；所述电阻R19、电容C16及电容C17并联且一端均接地；所述电容C101的一端连接在所述低温漂基准电压IC101的输入端与所述低功耗零温漂放大器IC102的正电源端之间，另一端接地；所述电容C103的一端连接所述低功耗零温漂放大器IC102的正电源端，另一端接地；所述电容C18、电容C19的一端分别与所述电阻R25(远离所述稳定电源的一端)连接，另一端均接地。

所述传感器包括第一通道传感器PTD1及第二通道传感器PTD2；所述第一通道传感器PTD1(该第一通道传感器PTD1可以是标准铂电阻传感器，也可以是工业铂电阻传感器)的两端分别与所述模拟开关IC103的引脚4和引脚13连接，所述第二通道传感器PTD2(该第二通道传感器PTD2可以是标准铂电阻传感器，也可以是工业铂电阻传感器)的两端分别与所述模拟开关IC103的引脚5和引脚12连接，且所述第一通道传感器PTD1及第二通道传感器PTD2均与所述电阻R19串联构成比例测量电路，该第一通道传感器PTD1与第二通道传感器PTD2还连接所述输入模块2；所述模拟开关IC103(该模拟开关IC103采用低功耗、高隔离度的双四选一模拟开关)的引脚1及引脚16还连接至所述单片机IC7；所述模拟开关IC103的引脚2与引脚14还通过一电容C108接地；所述模拟开关IC103的引脚6通过电阻R107连接至引脚11，该模拟开关IC103的引脚3与引脚15相连且接地。

所述输入模块2直接或通过所述双运放差分前置放大模块3连接至所述模数转换器IC5(该模数转换器IC5采用具有高输入阻抗和高CMRR的24位低功耗模数转换器，具有8个输入端，可以组合为4个差分输入，且内部还有可编程放大器，PGA可设置为1～128)；所述模数转换器IC5的引脚24至引脚27连接至所述单片机IC7，所述模数转换器IC5的引脚9还通过电容C20连接该模数转换器IC5的引脚10，且所述引脚10还接地。

所述输入模块2包括第一通道输入单元21及第二通道输入单元22；所述第一通道输入单元21包括电容C9、电阻R4、电阻R3及电容C109，所述电容C9的一端连接在所述模拟开关IC103的引脚4与所述第一通道传感器PTD1之间，另一端接地；所述电阻R4、电容C109及电阻R3依次相连并连接在所述第一通道传感器PTD1两端，且所述电阻R4与所述电容C109之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚15，所述电阻R3与所述电容C109之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚16；所述第二通道输入单元22包括电容C4、电阻R14、电阻R7及电容C112，所述电容C4的一端连接在所述模拟开关IC103的引脚5与所述第二通道传感器PTD2之间，另一端接地；所述电阻R14、电容C112及电阻R7依次相连并连接在所述第二通道传感器PTD2两端，且所述电阻R14与所述电容C112之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚14，所述电阻R7与所述电容C112之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚13。

所述单片机IC7(该单片机IC7采用当今最低功耗的16位绿色单片机MSP430F4XX)还连接有存储器T1、存储器T2(其中，存储器T1、存储器T2均采用24C256大容量EEPROM非易失存储器，用于保存校正数据及分度参数等信息)及温度传感器IC130(该温度传感器IC130的型号为TMP112，且需要安装在能代表电路板模拟通道元件温度的位置)，且所述存储器T1位于所述第一通道传感器PTD1的插头内，所述存储器T2位于所述第二通道传感器PTD2的插头内。

优选的，当所述稳定电路匹配在0℃下且第一通道传感器PTD1、第二通道传感器PTD2标称值为25Ω时还采用双运放差分前置放大模块3(若在0℃下且标称值为100Ω时，则不需要采用双运放差分前置放大模块3)，所述双运放差分前置放大模块3包括第一通道双运放差分前置放大单元31及第二通道双运放差分前置放大单元32；所述第一通道双运放差分前置放大单元31包括放大器IC104、放大器IC105、电阻R108、电阻R109、电阻R110、电阻R111、电阻R112、电容C110及电容C111，所述放大器IC104与所述放大器IC105的同相输入端分别连接在所述电容C109两端，所述放大器IC104的输出端通过所述电阻R109连接其反相输入端，且该放大器IC104的输出端还通过所述电阻R108连接所述模数转换器IC5的引脚18，所述放大器IC105的输出端通过所述电阻R111连接其反相输入端，且该放大器IC105的输出端还通过所述电阻R112连接所述模数转换器IC5的引脚17，所述放大器IC104的反相输入端通过所述电阻R110与所述放大器IC105的反相输入端连接，所述放大器IC104与所述放大器IC105的负电源端相连且接地、正电源端均连接至所述电阻R25(远离所述稳定电源的一端)并均通过所述电容C110接地，所述电容C111并联于所述模数转换器IC5的引脚18与引脚17之间；所述第二通道双运放差分前置放大单元32包括放大器IC106、放大器IC107、电阻R113、电阻R114、电阻R115、电阻R116、电阻R117、电容C113及电容C114，所述放大器IC106与所述放大器IC107的同相输入端分别连接在所述电容C112两端，所述放大器IC106的输出端通过所述电阻R114连接其反相输入端，且该放大器IC106的输出端还通过所述电阻R113连接所述模数转换器IC5的引脚12，所述放大器IC107的输出端通过所述电阻R116连接其反相输入端，且该放大器IC107的输出端还通过所述电阻R117连接所述模数转换器IC5的引脚11，所述放大器IC106的反相输入端通过所述电阻R115与所述放大器IC107的反相输入端连接，所述放大器IC106与所述放大器IC107的负电源端相连且接地、正电源端均与所述放大器IC105的正电源端连接并通过所述电容C113接地，所述电容C114并联于所述模数转换器IC5的引脚12与引脚11之间。其中，电阻R109～电阻R111、电阻R114～电阻R116均为2ppm/℃低温漂电阻，且所述电阻R109与所述电阻R111阻值严格匹配，所述电阻R114与所述电阻R116阻值严格匹配，用于提高放大器的抗干扰能力；所述放大器IC104至放大器IC107均采用低功耗零温漂运放OPA333。

所述稳定电路实现稳定的原理如下：通过所述低温漂基准电压IC101、低功耗零温漂放大器IC102及电阻R19相连构成一个1mA的高稳定度恒流源模块1(该高稳定度恒流源模块1可以有效消除线路电阻变化对串联电流的影响)；所述第一通道传感器PTD1及第二通道传感器PTD2均与所述电阻R19串联构成一个比例测量电路，所述模拟开关IC103则利用高稳定度恒流源模块提供的1mA电流分时轮流激励所述第一通道传感器PTD1或第二通道传感器PTD2；所述第一通道传感器PTD1或第二通道传感器PTD2串联在所述电阻R19的压降又经过电阻R125与电容C20施加到所述模数转换器IC5上，作为该模数转换器IC5的参考基准电压，使得电路受到干扰或电流发生变化时，对电路造成的影响可以通过所述模数转换器IC5的输入电压与参考基准电压相互抵消，且由于直接采用所述电阻R19的压降，不需要有另外的基准源，也较少了额外元件对电路稳定带来影响；在所述稳定电路中还包括有用于滤波的电容，这些电容对电路的稳定性也起到重要作用。

优选的，本发明稳定电路还需要对传感器进行老化；其中传感器采用进口A级Pt100陶磁铂电阻元件,先用纯银丝焊接为四线制形式，然后将引线套在四孔陶瓷套管并装入324不锈钢管中，最后用干燥过的氧化铝粉填实空隙，并在手柄处用四线制纯铜硅胶线引出，具体老化工艺如下：

①用超级电桥对传感器在-60℃、0℃、100℃、200℃、300℃进行误差值测量，得到传感器第1次误差值数据；

②将传感器放入420℃的长炉中老化96h,等自然冷却后取出，重新在①所选的温度点测量误差值，得到第2次误差值数据，然后计算两次误差值数据之差记为第一次老化变化值；

③再将传感器放入420℃的长炉中老化96h，等自然冷却后取出，重新在①所选的温度点测量误差值，得到第3次误差值数据，再计算本次误差值数据与前次误差值数据之差记为第二次老化变化值；

④继续重复③的过程，直到前后2次老化变化值小于0.005℃时，才完成老化。

请参照图2和图3所示，超低功耗高精度标准数字温度计误差校正方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、将固有误差的校正值保存到传感器并利用软件对测量值进行自动修正；固有误差校正值的计算如下：先选取校正点，该校正点一般可选择-60℃、-30℃、0℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、420℃，当然也可以任意选择其他温度点，最多可达30点，且每次校正都会形成一个记录，每个传感器最多可有100个记录；利用实时校正法、证书校正法或自我溯源法对传感器进行校正并形成校正记录，同时将该校正记录保存到传感器中；所述校正记录的存储格式如图2所示，包括记录1到记录m，m为小于等于100的自然数，每个记录又包括n个校正点，n个校正值，一个校正日期和一个校正点数，n为小于等于30的自然数。其中，实时校正法是指在计量检定过程中，通过和准确度更高的标准器直接进行比较，并直接输入标准器示值到被校正仪器中的校正方法；自我溯源校正法是指利用双通道功能，一个通道接标准传感器或规格化的传感器，另一个通道接被校正传感器，通过在相同温度下进行比较，并将标准通道的显示值传递到被校正通道传感器的校正方法；证书校正法是指利用计量部门出具的证书，将证书上的校正点和修正值成对地输入到被校正仪器中的校正方法。

如图3所示，在利用软件对测量值进行自动修正时，我们先利用保存在传感器中的校正点及校正值对测量值x进行修正，且测量值x的修正值c为：

$c=c2+\frac{(x-x2)}{(x3-x2)}\×(c3-c2),$

其中，x2、x3为当前校正记录中与测量值x最接近的两个相邻校正点，其对应的修正值分别为c2、c3，这样，软件修正后的示值x_c为：

x_c＝x+c。

步骤2、引入环境温度补偿：环境温度t对示值x的影响，我们采用下面数学模型表示：

dx/dt＝a+k×x，

当环境温度偏离Δt时，经环境温度修正的最终示值x_ca为：

x_ca＝(a+k×x_c)×Δt+x_c，

其中，a、k表示环境温度影响系数，x_c为软件修正后的示值。

环境温度影响系数a、k是在仪表出厂前，通过测量得到，并保存在存储器中以备使用；具体做法是在环境温度为t1下，分别输入标准温度值信号x1、x2，读出仪表示值分别为D1、D3；在环境温度为t2下，再分别输入标准温度值信号x1、x2，读出仪表示值分别为D2、D4，之后通过以下公式求出环境温度影响系数：

$k=\frac{(D4-D3)-(D2-D1)}{(t2-t1)\×(x2-x1)}.$

$a=\frac{D2-D1}{t2-t1}-k\×x1$

总上所述，本发明具有以下优点：对传感器的固有误差进行了校正，充分挖掘了传感器的潜在精度，实现了即使采用工业铂电阻传感器也能达到标准级精度，使得在测量范围为(-190～420)℃下，整机误差能够达到如下精度：±0.01℃(在-190℃～110℃的测量范围内)、±0.02℃(在110℃～300℃的测量范围内)、±0.05℃(在300℃～420℃的测量范围内)；对环境温度进行补偿，使得数字温度计的应用场合更宽广，且在(5～50)℃范围的环境温度中使用时，测量精度将不受环境温度影响；采用高稳定度硬件电路，使电流变化对示值影响大大减小了，且功耗超低，整机功耗电流小于2mA；精度较高，且采用双通道，可用于恒温槽温场或微小温差的测量。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (12)

1.一种超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路，其特征在于：所述稳定电路包括：高稳定度恒流源模块、模拟开关IC103、传感器、输入模块、双运放差分前置放大模块、模数转换器IC5及单片机IC7；

所述高稳定度恒流源模块包括低温漂基准电压IC101、低功耗零温漂放大器IC102、电阻R19及电阻R25，所述低温漂基准电压IC101的输入端连接至所述低功耗零温漂放大器IC102的正电源端，该低功耗零温漂放大器IC102的正电源端又分别连接至所述电阻R25和所述模拟开关IC103的引脚2、引脚14，所述电阻R25的另一端还连接至一稳定电源，所述低温漂基准电压IC101的公共端连接至所述低功耗零温漂放大器IC102的负电源端，所述低温漂基准电压IC101的输出端依次通过电阻R101、电阻R103连接至所述低功耗零温漂放大器IC102的同相输入端；所述低功耗零温漂放大器IC102的反相输入端依次通过电阻R104、电阻R106连接至所述模拟开关IC103的引脚9和所述电阻R19，该电阻R19又通过电阻R125连接至所述模数转换器IC5的引脚9，所述低功耗零温漂放大器IC102的输出端通过电阻R126连接至所述模拟开关IC103的引脚8；

所述传感器包括第一通道传感器PTD1及第二通道传感器PTD2；所述第一通道传感器PTD1的两端分别与所述模拟开关IC103的引脚4和引脚13连接，所述第二通道传感器PTD2的两端分别与所述模拟开关IC103的引脚5和引脚12连接，且所述第一通道传感器PTD1及第二通道传感器PTD2均与所述电阻R19串联构成比例测量电路，该第一通道传感器PTD1与第二通道传感器PTD2还连接所述输入模块；所述模拟开关IC103的引脚1及引脚16还连接至所述单片机IC7；

所述输入模块直接或通过所述双运放差分前置放大模块连接至所述模数转换器IC5；所述模数转换器IC5的引脚24至引脚27连接至所述单片机IC7。

2.根据权利要求1所述的超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路，其特征在于：所述高稳定度恒流源模块还包括电容C101、电容C103、电容C104、电阻R102、电容C105、电容C106、电阻R105、电容C107、电容C16、电容C17、电容C18及电容C19，所述低温漂基准电压IC101的输出端与公共端之间并联有所述电容C104，且该低温漂基准电压IC101的输出端还直接连接至所述模拟开关IC103的引脚10；所述电阻R102、电容C105、电容C106的一端分别连接在所述电阻R101与所述电阻R103之间，另一端均连接所述低温漂基准电压IC101的公共端且接地；所述电阻R105、电容C107的一端分别连接在所述电阻R104与所述电阻R106之间，另一端均接地；所述电阻R19、电容C16及电容C17并联且一端均接地；所述电容C101的一端连接在所述低温漂基准电压IC101的输入端与所述低功耗零温漂放大器IC102的正电源端之间，另一端接地；所述电容C103的一端连接所述低功耗零温漂放大器IC102的正电源端，另一端接地；所述电容C18、电容C19的一端分别与所述电阻R25连接，另一端均接地。

3.根据权利要求1所述的超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路，其特征在于：所述模拟开关IC103的引脚2与引脚14还通过一电容C108接地；所述模拟开关IC103的引脚6通过电阻R107连接至引脚11，且该模拟开关IC103的引脚3与引脚15相连并接地。

4.根据权利要求1所述的超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路，其特征在于：所述输入模块包括第一通道输入单元及第二通道输入单元；所述第一通道输入单元包括电容C9、电阻R4、电阻R3及电容C109，所述电容C9的一端连接在所述模拟开关IC103的引脚4与所述第一通道传感器PTD1之间，另一端接地；所述电阻R4、电容C109及电阻R3依次相连并连接在所述第一通道传感器PTD1两端，且所述电阻R4与所述电容C109之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚15，所述电阻R3与所述电容C109之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚16；所述第二通道输入单元包括电容C4、电阻R14、电阻R7及电容C112，所述电容C4的一端连接在所述模拟开关IC103的引脚5与所述第二通道传感器PTD2之间，另一端接地；所述电阻R14、电容C112及电阻R7依次相连并连接在所述第二通道传感器PTD2两端，且所述电阻R14与所述电容C112之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚14，所述电阻R7与所述电容C112之间还连接至所述模数转换器IC5的引脚13。

5.根据权利要求1所述的超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路，其特征在于：所述双运放差分前置放大模块包括第一通道双运放差分前置放大单元及第二通道双运放差分前置放大单元；所述第一通道双运放差分前置放大单元包括放大器IC104、放大器IC105、电阻R108、电阻R109、电阻R110、电阻R111、电阻R112、电容C110及电容C111，所述放大器IC104与所述放大器IC105的同相输入端分别连接在所述电容C109两端，所述放大器IC104的输出端通过所述电阻R109连接其反相输入端，且该放大器IC104的输出端还通过所述电阻R108连接所述模数转换器IC5的引脚18，所述放大器IC105的输出端通过所述电阻R111连接其反相输入端，且该放大器IC105的输出端还通过所述电阻R112连接所述模数转换器IC5的引脚17，所述放大器IC104的反相输入端通过所述电阻R110与所述放大器IC105的反相输入端连接，所述放大器IC104与所述放大器IC105的负电源端相连且接地、正电源端均连接至所述电阻R25并均通过所述电容C110接地，所述电容C111并联于所述模数转换器IC5的引脚18与引脚17之间；所述第二通道双运放差分前置放大单元包括放大器IC106、放大器IC107、电阻R113、电阻R114、电阻R115、电阻R116、电阻R117、电容C113及电容C114，所述放大器IC106与所述放大器IC107的同相输入端分别连接在所述电容C112两端，所述放大器IC106的输出端通过所述电阻R114连接其反相输入端，且该放大器IC106的输出端还通过所述电阻R113连接所述模数转换器IC5的引脚12，所述放大器IC107的输出端通过所述电阻R116连接其反相输入端，且该放大器IC107的输出端还通过所述电阻R117连接所述模数转换器IC5的引脚11，所述放大器IC106的反相输入端通过所述电阻R115与所述放大器IC107的反相输入端连接，所述放大器IC106与所述放大器IC107的负电源端相连且接地、正电源端均与所述放大器IC105的正电源端连接并通过所述电容C113接地，所述电容C114并联于所述模数转换器IC5的引脚12与引脚11之间。

6.根据权利要求1所述的超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路，其特征在于：所述模数转换器IC5的引脚9还通过电容C20连接该模数转换器IC5的引脚10，且所述引脚10还接地。

7.根据权利要求1所述的超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路，其特征在于：所述单片机IC7还连接有存储器T1、存储器T2及温度传感器IC130，且所述存储器T1位于所述第一通道传感器PTD1的插头内，所述存储器T2位于所述第二通道传感器PTD2的插头内。

8.根据权利要求5所述的超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路，其特征在于：所述电阻R109与所述电阻R111阻值严格匹配，所述电阻R114和所述电阻R116阻值严格匹配。

9.根据权利要求1所述的超低功耗高精度标准数字温度计稳定电路，其特征在于：所述传感器需要进行老化，具体老化工艺如下：

①用超级电桥对传感器在-60℃、0℃、100℃、200℃、300℃进行误差值测量，得到传感器第1次误差值数据；

②将传感器放入420℃的长炉中老化96h，等自然冷却后取出，重新在①所选的温度点测量误差值，得到第2次误差值数据，然后计算两次误差值数据之差记为第一次老化变化值；

③再将传感器放入420℃的长炉中老化96h，等自然冷却后取出，重新在①所选的温度点测量误差值，得到第3次误差值数据，再计算本次误差值数据与前次误差值数据之差记为第二次老化变化值；

④继续重复③的过程，直到前后2次老化变化值小于0.005℃时，才完成老化。

10.一种超低功耗高精度标准数字温度计误差校正方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

步骤1、将固有误差的校正值保存到传感器中并利用软件对测量值进行自动修正：利用实时校正法、证书校正法或自我溯源法对传感器进行校正并形成校正记录，同时将该校正记录保存到传感器中；之后利用保存在传感器中的校正数据计算出测量值x的修正值c，则修正后的示值x_c为：

x_c＝x+c；

步骤2、引入环境温度补偿：环境温度t对测量值x的影响，采用下面数学模型表示：

dx/dt＝a+k×x，

当环境温度偏离Δt时，经环境温度修正的最终示值x_ca为：

x_ca＝(a+k×x_c)×Δt+x_c，

其中，a、k表示环境温度影响系数。

11.根据权利要求10所述的超低功耗高精度标准数字温度计误差校正方法，其特征在于：所述步骤2中的环境温度影响系数a、k是在仪表出厂前，通过测量得到，并保存在存储器中以备使用；具体做法是在环境温度为t1下，分别输入标准温度值信号x1、x2，读出仪表示值分别为D1、D3；在环境温度为t2下，再分别输入标准温度值信号x1、x2，读出仪表示值分别为D2、D4，之后通过以下公式求出环境温度影响系数：

$k=\frac{(D4-D3)-(D2-D1)}{(t2-t1)\×(x2-x1)}.$

$a=\frac{D2-D1}{t2-t1}-k\×x1$

12.根据权利要求10所述的超低功耗高精度标准数字温度计误差校正方法，其特征在于：所述步骤1中的校正记录包括校正点、校正值、校正日期及校正点数。