CN105527038B

CN105527038B - 铂热电阻传感器误差修正方法和用该方法测温的热量表

Info

Publication number: CN105527038B
Application number: CN201510865635.2A
Authority: CN
Inventors: 张慧娟; 蒋罗庚
Original assignee: Hunan Weiming Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Hunan Weiming Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2035-12-02
Also published as: CN105527038A

Abstract

本发明提供了一种铂热电阻传感器误差修正方法，包括获取铂热电阻温度传感器温度范围和精度；计算误差修正点；对铂热电阻温度传感器进行误差修正，得到平均测量温度‑修正补偿系数曲线；选取一个误差修正点作为基本温度点；对该待修正的铂热电阻温度传感器在基本温度点上进行测量修正；对待修正的铂热电阻温度传感器进行全量程温度范围内的温度测量误差修正；本发明还提供了一种应用所述铂热电阻传感器误差修正方法进行温度测量的热量表。本发明方法提高了铂热电阻的温度测量精度，极大地提高了铂热电阻温度传感器的生产效率和标定、修正效率。本发明方法提供的应用所述铂热电阻传感器误差修正方法进行温度测量和修正的热量表，计量准确。

Description

铂热电阻传感器误差修正方法和用该方法测温的热量表

技术领域

本发明属于测控领域，具体涉及一种铂热电阻传感器误差修正方法和用该方法的热量表。

背景技术

随着国家经济技术的发展，供热系统已经逐步进入了千家万户，给广大人民群众带来的舒适便捷的生活。热量表是供热系统中用来测量及显示水流经热交换系统所释放或吸收热量值的仪表，在按热量计量收费的体系中是一个关键的仪表。它的测量数据是供热体系中按热量计量收费的重要依据，因此它的测量精度，工作稳定性等技术指标无论是对供热系统还是对用户而言，都是非常重要的。

热量表主要由流量传感器、配对温度传感器和计算器组成。目前行业内普通采用PT1000铂热电阻作为测温元件：先测量出PT1000铂热电阻的电阻值，然后再将电阻值转换成温度。

这种铂热电阻采用二线制接法，没有考虑到引线电阻，从而会导致标准源本身存在一定的误差；同时铂热电阻虽然随着温度的变化而变化，但这种变化是非线性的，而且温度测量电路也会带来一些固有误差，所有这些很难保证在全量程范围内温度测量误差的准确性。

为了解决这种问题，现有大多数的方法是引入修正补偿系数，通过此修正补偿系数对温度进行校准修正补偿，从而减小计量误差。现在固定厂家生产的固定型号的PT1000铂热电阻的一致性较好：在测量温度时，虽然各个铂热电阻的修正系数不同，但是固定厂家生产的固定型号的PT1000铂热电阻温度传感器的测量温度-修正补偿系数曲线的线形基本一致。

但由于在全量程温度范围内，温度修正补偿系数是非线性分布的，如果要保证全量程温度范围内的温度误差的准确性，每一个PT1000铂热电阻均需要对全量程范围内的温度点进行校准，得到一条较为准确的修正补偿曲线。但这种方法在生产时，由于要校准修正的温度点较多，会导致生产效率非常低。因此大多数的厂家为了提供生产效率，在实际生产过程中减少了温度点的校准，导致温度-修正补偿系数曲线与实际的差别很大，不能很好的保证温度计量误差在全量程的温度范围内的准确性。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种计量准确又能够提高铂热电阻温度传感器生产效率的铂热电阻传感器误差修正方法。

本发明的目的之二在于提供采用所述铂热电阻传感器误差修正方法进行温度测量的热量表。

本发明提供的这种铂热电阻传感器误差修正方法，包括如下步骤：

S1. 获取待修正的每一类型号的铂热电阻温度传感器测量温度时的温度范围要求和温度精度要求，以及待修正型号中的铂热电阻的电阻值与温度测量值之间的数值关系；

S2. 根据步骤S1获取的温度范围和温度精度，采用以下算式得到n个误差修正点：

T_{ta_1}=T_min，T_{ta_2}=T_min+T_u，T_{ta_3}= T_min+2*T_u，……，T_{ta_n-1}= T_min+（n-1）*T_u，

T_{ta_n}= T_max，且T_min=T_{ta_1}＜T_{ta_2}＜……＜T_{ta_n}=T_max；

式中T_{ta_1}、T_{ta_2}、……、T_{ta_n}为误差修正点，T_min为温度范围的最低温度，T_max为温度范围的最高温度，T_u为温度精度要求，n=1，2，3……；

S3. 将待修正的每一类型号的P个铂热电阻温度传感器，在步骤S2所述的误差修正点上进行误差修正，得到待修正的每一类型号的铂热电阻温度传感器的平均测量温度-修正补偿系数曲线；

S4. 在步骤S2的误差修正点中，选取一个误差修正点作为基本温度点T_基原；在待修正的每一类型号的铂热电阻温度传感器任意选取一个，对该选取的铂热电阻温度传感器在基本温度点上进行误差修正，得到该选取的铂热电阻温度传感器在基本温度点上的修正补偿系数值K_基原；

S5. 针对步骤S4选取的铂热电阻温度传感器，采用下式进行全量程温度范围内的温度测量误差修正：

T_修正值=T_测量值×( K_{ta_i}×K_基原) / K_{ta_ii}

式中，T_修正值为步骤S4选取的铂热电阻温度传感器修正后的测量温度， T_测量值为步骤S4选取的铂热电阻温度传感器修正前的测量温度，K_{ta_i}为任意温度点在平均测量温度-修正补偿系数曲线上对应的修正补偿系数，K_基原为步骤S4选取的铂热电阻温度传感器在基本温度点上的修正补偿系数值，K_{ta_ii}为基本温度点在平均测量温度-修正补偿系数曲线上对应的修正补偿系数。

所述铂热电阻传感器误差修正方法，还包括如下步骤：

S6. 重复步骤S4~S5，完成所有待修正的铂热电阻温度传感器的误差修正。

步骤S1所述的获取铂热电阻的电阻值与温度测量值之间的数值关系，具体包括如下步骤：

1）针对每一个温度测量点，利用铂热电阻在N秒内连续测量M次，得到M个铂热电阻的测量电阻值；

2）将步骤1）得到的测量电阻值筛除最大值和最小值，将剩余的M-2个测量电阻值求取平均值R_原；

3）将R_原与铂热电阻的分度表进行对比，得到将R_原转换为未修正的测量温度值T_测量值的算式。

所述步骤3）具体包括如下步骤：

① 将与铂热电阻的分度表进行对比，直至得到分度表内的电阻值R_n与R_n+1，满足R_n<R_原< R_n+1；

② 根据分度表获取电阻值R_n与R_n+1所对应的原始温度值T_n与T_n+1，得到分度表的温度精度num= T_n+1-T_n；

③ 采用下式计算得到未修正的测量温度值T_测量值：

T_测量值=T_n+(R_原- R_n)/(R_n+1- R_n)×num

步骤3）所述的分度表，为根据铂热电阻产品自带的三个温度点的温度值和温度点对应的电阻值，和以下公式计算得到：

R_t=R₀×（1+A×t+B×t²）

式中为，R_t为t℃时的铂热电阻阻值，R₀为0℃时的铂热电阻阻值，t为温度值，A、B为常数；

步骤S3所述的得到平均测量温度-修正补偿系数曲线，具体包括如下步骤：

1）将待修正的每一类型号的P个铂热电阻温度传感器，依据步骤S1获得的测量精度，从最低温度点T_min开始测量，直至测量到T_max；

2）针对每一个温度测量点，记录此时标准温度值和P个铂热电阻温度传感器测量的未修正的温度测量值T_标定.1~T_标定.P；针对未修正的温度测量值T_标定.1~T_标定.P求取平均值T_{标定.平均}；

3）根据步骤2）获取的T_{标定.平均}，计算此时的平均修正补偿系数；

4）重复步骤2）~步骤3），完成所有测量点的温度测量和平均修正补偿系数的计算，得到平均测量温度-修正补偿系数曲线；

步骤S3所述的P个铂热电阻温度传感器，为20个铂热电阻温度传感器。

步骤S4所述的基本温度点，为根据热量表行业标准中规定的出厂检测要求选取为50℃。

本发明还提供了一种热量表，该热量表应用所述的铂热电阻传感器误差修正方法进行温度测量。

本发明提供的这种铂热电阻传感器误差修正方法，利用特定型号铂热电阻温度传感器的一致性较好的特点，定义并求取该型号铂热电阻传感器的平均测量温度-修正补偿系数曲线，并选定一个基本温度点，在针对每一个铂热电阻温度传感器在该基本温度点上再进行一次温度修正，即可根据在基本温度点上的温度修正系数和平均测量温度-修正补偿系数曲线得到该铂热电阻温度传感器的误差修正曲线；本发明方法，仅需要针对某一特定型号的铂热电阻温度传感器进行一次全量程范围内的温度点修正，之后针对每一个铂热电阻温度传感器均只需要在基本温度点上进行一次修正即可完成铂热电阻温度传感器的误差修正工作，因此本发明方法不仅提高了铂热电阻的温度测量精度，更是极大地提高了铂热电阻温度传感器的生产效率和标定、修正效率。本发明方法提供的应用所述铂热电阻传感器误差修正方法进行温度测量和修正的热量表，计量准确，应用可靠。

附图说明

图1为本发明的PT1000铂热电阻测量示意图。

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的PT1000铂热电阻的测量示意图：铂热电阻测量原理为采用温度传感器的PT1000铂热电阻作为测温元件，先测量出铂热电阻的电阻值，然后再将电阻值转换成温度。PT1000铂热电阻的测量采用电容充放电法进行，即：不同阻值的铂热电阻对同一电容放电到某一电压值时所需时间不同的原理，来间接反映电阻阻值大小。

铂热电阻的测量是基于电容对PT1000铂热电阻和对温度不敏感的1K电阻R的放电时间进行测量的。电容C的放电过程：当给高精度计时芯片发送温度测量命令时，计时芯片开始对电容C充电，充满电后电容C会向PT1000铂热电阻R1，R2和低温漂精密1K电阻R放电，计时芯片会依次记录下PT1，PT2，TP3，TP4端口电容C对电阻的放电时间到结果寄存器中。根据低温漂电阻R的特性知同一电压V对其的放电时间t₀是恒定不变的，而对于铂热电阻PT1000在同一电压V不同的温度T下电容C对其的放电时间t是不同的，根据此原理得出电容放电时间与电阻的比例关系：R_1k/t₀=R_PT1000/t，从而可计算出温度T下对应的铂热电阻的阻值。

这种PT1000铂热电阻的阻值会随着温度的变化而改变，在其全量程温度范围内，当温度大于0℃时，其温度与电阻值的关系如下：

R_t= R₀×（1+A×t+B×t² ）

式中：R₀ 为0℃时的铂电阻阻值，单位为欧姆；R_t为t℃时的铂电阻阻值，单位为欧姆，A、B分别为常数。但是只利用上面的式子很难由PT1000铂热电阻的阻值直接求解出温度值，因此现在主要方法是使用分度表法或线性插值法来进行温度的标度变换：即将被测得的电阻值与分度表内电阻值进行比较，直到R_n<R<R_n+1时停止比较；此时，R_n所对应的温度值t_n为所测温度的整数部分，而温度的小数部分为：(R-R_n)/(R_n+1-R_n) ×num，其中num为分度表的精度，从而得到测量到的温度原始值，但为了保证温度误差的准确性，最后测量到的温度值需要乘上误差修改系数，即T_n真实=K* T_n原始。其中K为修正系数。

如图2所示为本发明的方法流程图：

所述的获取铂热电阻的电阻值与温度测量值之间的数值关系，具体包括如下步骤：

步骤3）具体包括如下步骤：

③ 采用下式计算得到未修正的测量温度值T_测量值：

T_测量值=T_n+(R_原- R_n)/(R_n+1- R_n)×num

R_t=R₀×（1+A×t+B×t²）

T_{ta_n}= T_max，且T_min=T_{ta_1}＜T_{ta_2}＜……＜T_{ta_n}=T_max；

所述的得到平均测量温度-修正补偿系数曲线，具体包括如下步骤：

1）将待修正的每一类型号的P个（如20个）铂热电阻温度传感器，依据步骤S1获得的测量精度，从最低温度点T_min开始测量，直至测量到T_max；

根据热量表行业标准中规定的出厂检测要求，基本温度点可以选取为50℃；

T_修正值=T_测量值×( K_{ta_i}×K_基原) / K_{ta_ii}

式中，T_修正值为步骤S4选取的铂热电阻温度传感器修正后的测量温度， T_测量值为步骤S4选取的铂热电阻温度传感器修正前的测量温度，K_{ta_i}为任意温度点在平均测量温度-修正补偿系数曲线上对应的修正补偿系数，K_基原为步骤S4选取的铂热电阻温度传感器在基本温度点上的修正补偿系数值，K_{ta_ii}为基本温度点在平均测量温度-修正补偿系数曲线上对应的修正补偿系数；

本发明还提供了一种热量表，该热量表应用所述的铂热电阻传感器误差修正方法进行温度测量。因此所述的热量表能够较为精确的对热量进行计量，计量更为准确可靠。

以下结合一个具体实施例对本发明进行进一步说明：

本发明以超声波热量表在10.0度的标准温度点下进行温度测量和误差修正为例。首先要进行如下定义和设定。

全量程温度范围定义和设定：

定义全量程温度范围为 [T_min ，T_max]，T_min为最低温度，T_max为最高温度，定义T_min=5度，T_max=95度。

基本温度点的设定：

基本温度点设置为50度。

原始数据组M[N]的定义和设定：

定义原始数据组M[N]为每一秒钟PT1000铂热电阻的N个连续采样数据。M[N]={R_{N_1}，R_{N_2}，……，R_{N_N} }。

设定N=12，则原始数据组为M[12]，设定M[12]如下：

M[12]={ 1039.357820，1039.677820，1038.877856，1039.584214 ,

1039.457520，1039.767845，1038.907320，1040.655613 ,

1038.047120，1039.974852,，1039.412624，1038.957646 ,

}；

待修正的温度点对应的铂热电阻的原始电阻值的R_原定义：

定义待修正的温度点对应的铂热电阻的原始电阻值的R_原为将原始数据组M[N]中的N个连续的电阻采样数据，抛掉最大值和最小值后，计算得到剩余数据的平均值，假定R_{N_1}为最小值，R_{N_N}为最大值，则R_原可表示如下：

R_原 =（R_{N_2}+R_{N_3} +……+ R_{N_N-1}）/ N-2；

分度表定义和设定：

定义分度表TR [n][2]={{T_{tr_1}，R_{tr_1}},{T_{tr_2}，R_{tr_2}},……{T_{tr_n}，R_{tr_n}}，为0度到T_max温度范围的温度与铂热电阻的对应关系的二维数组，其中n为以每0.1度为最小差值的所有范围内温度点的数量，T_{tr_n}为某温度点原始温度值，且0≤T_{tr_1}＜T_{tr_2}＜……＜T_{tr_n}≤T_max，同时满足T_{tr_n}－T_{tr_n-1}= 0.1度；R_{tr_n}为某温度点对应的铂热电阻值，单位为欧姆；分度表温度点的数量n =T_max整数部分×10+1。

因T_max=95度，则n=95×10+1=951, 分度表为TR[951][2]，因检测点温度设定为10.0度，故分度表TR[951][2]只具体列出了0度~0.1度，9.0度~10.9度，95度三大区间的数据，其它的均未列出。

设TR[951][2] ={ { 0.0，1000.552531 }, { 0.1，1000.945338 },

………………………………………………………,

…………………………,

{ 9.0, 1035.855619 },{ 9.1, 1036.247313 },

{ 9.2, 1036.638994 },{ 9.3, 1037.030663 },

{ 9.4, 1037.422320 },{ 9.5, 1037.813964 },

{ 9.6, 1038.205596 }, { 9.7, 1038.597216 },

{ 9.8, 1038.988823 }, { 9.9, 1039.380418 },

{ 10.0, 1039.772000 },{ 10.1, 1040.163570 },

{ 10.2, 1040.555128 },{ 10.3, 1040.946673 },

{ 10.4, 1041.338206 },{ 10.5, 1041.729729 },

{ 10.6, 1042.121235 },{ 10.7, 1042.512731 },

{ 10.8, 1042.904214 },{ 10.9, 1043.295685 },

………………………………………………………,

…………………………,

{ 95.0, 1368.143602 } }；

全量程温度范围内不同温度点的平均测量温度-修正补偿系数曲线的定义和设定：

定义全量程温度范围内不同温度点的平均测量温度-修正补偿系数曲线为二维数组表示：TA [m][2]={{T_{ta_1}，K_{ta_1}},{T_{ta_2}，K_{ta_2}},……{T_{ta_m}，K_{ta_m}}，其中m为此平均测量温度-修正补偿系数曲线上分布的温度点的数量，T_{ta_m}为某温度点未经过修正的原始温度值，且0＜T_min≤T_{ta_1}＜T_{ta_2}＜……＜T_{ta_m}≤T_max ；K_{ta_ m}为某温度点对应的修正补偿系数；

因全量程温度范围为5度~95度，为了保证误差的准确性，平均测量温度-修正补偿系数曲线上的温度点的最小温度间隔值为1度，温度从5度开始，直到达到95度，故此平均测量温度-修正补偿系数曲线上分布的温度点的数量m=91，因检测点温度设定为10.0度，基本温度点设定为50度，故平均测量温度-修正补偿系数曲线二维数组TA [91][2]只具体列出了5度~20度，44度~55度，90度~95度三大区间的数据，其它的均未列出。

设定平均测量温度-修正补偿系数曲线二维数组：

TA [91][2] = { { 5.188，1.0159 }，{ 6.176，1.0121 }，

{ 7.161，1.0105 }， { 8.146，1.0100 }，

{ 9.134，1.0084 }， { 10.115，1.0126 }，

{ 11.108，1.0114 }， { 12.095，1.0106 }，

{ 13.092，1.0093 }，{ 14.078，1.0099 }，

{ 15.071，1.0094 }，{ 16.059，1.0094 }，

{ 17.046，1.0092 }，{ 18.040，1.0097 }，

{ 19.024，1.0075 }，{ 20.035，1.0121 }，

………………………………………………

…………………………,

{ 44.829，1.0091 }，{ 45.872，1.0089 }，

{ 46.750，1.0089 }，{ 47.780，1.0076 }，

{ 48.768，1.0091 }，{ 49.768，1.0088 }，

{ 50.733，1.0088 }，{ 51.742，1.0086 }，

{ 52.733，1.0086 }，{ 53.709，1.0079 }，

{ 54.714，1.0078 }，{ 55.714，1.0073 }，

………………………………………………

…………………………,

{ 89.326，1.0093 }，{ 90.303，1.0095 }，

{ 91.302，1.0104 }，{ 92.303，1.0091 }，

{ 93.292，1.0086 }，{ 94.275，1.0093 } };

基本温度点校准参数定义和设定：

定义超声波热量表基本温度点校准时的校准参数一维数组TB [2]={T_tb，K_tb}，T_tb为基本温度点校准时未经过修正的原始温度值，K_tb为基本温度点校准时需要进行修正的修正补偿系数。

设定T_tb= 49.942，K_tb=1.0048，故TB[2]={ 49.942，1.0048 }。

计算原始电阻值R_原

根据原始数据组M[12]的数据，去掉最大值1040.655613 和最小值 1038.047120后，剩余数据的平均值R_原为：

R_原=（1039.357820 + 1039.677820 + 1038.877856 + 1039.584214 +

1039.457520 + 1039.767845 + 1038.907320 + 1039.974852 +

1039.412624 + 1038.957646 ) / 10；

计算后：待原始电阻值R_原 = 1039.39755 欧姆。

将原始电阻值R_原与分度表TR[951][2]内电阻值进行比较，R_原= 1039.39755 欧姆，根据分度表TR[951][2]的数据，当R_n =1039.380418欧姆, R_n+1 =1039.772欧姆时，满足：R_n< R_原 < R_n+1 ，此时停止比较，根据分度表数据，读取R_n所对应的温度值T_n=9.9度，则：

原始温度值_原= T_n+((R_原-R_n)/(R_n+1- R_n))×0.1

=9.9+((1039.39755-1039.380418)/(1039.772-1039.380418))×0.1

计算后：原始温度值T_原 =9.904度。

读取基本温度点校准时的校准参数一维数组TB [2]，将T_tb的值赋于基本温度点校准时原始温度T_基原，将K_tb的值赋于基本温度点校准时K_基原，则：基本温度点在校准时的原始温度值 T_基原= 49.942度，

基本温度点在校准时的误差补偿修改系数K_基原=1.0048 ；

根据所述全量程温度范围内不同温度点的平均测量温度-修正补偿系数曲线二维数组TA [91][2]得到T_原对应的数组编号j，根据此编号j得到其在平均测量温度-修正补偿系数曲线上对应的修正补偿系数K_{ta_j}，因T_原 =9.904度，根据TA [91][2]中数据，当T_{ta_j}=10.115度，T_{ta_j_1} =9.134度，满足：T_{ta_j_1}＜T_原≤T_{ta_j}；则：T_原在平均测量温度-修正补偿系数曲线中的修正补偿系数K_{ta_j} = 1.0126。

根据所述全量程温度范围内不同温度点的平均测量温度-修正补偿系数曲线二维数组TA [91][2]得到T_基原对应的数组编号jj，根据此编号jj得到其在平均测量温度-修正补偿系数曲线上对应的修正补偿系数K_{ta_jj}，因T_基原= 49.942度，根据TA [91][2]的数据，当T_{ta_jj} =50.733度，T_{ta_jj_1} =49.768度，满足：T_{ta_jj_1}＜T_基原≤T_{ta_jj}；

则：T_基原在平均测量温度-修正补偿系数曲线中的修正补偿系数K_{ta_jj}= 1.0088。

T_原最终的修正补偿系数K为：

K = ( K_{ta_j} × K_基原 ) / K_{ta_jj}

= (1.0126 × 1.0048 ) / 1.0088

= 1.0086

经过修正补偿的最终温度测量值T_测为：

T_测 = K ×T_原

= 1.0086 × 9.904

= 9.989度

通过本发明的实施，最终温度测量值T_测与标准温度的误差值为0.011度（即：10-9.989），满足超声波热量表的温度的最大允许误差要求。

Claims

1.一种铂热电阻传感器误差修正方法，包括如下步骤：

T_{ta_n}= T_max，且T_min=T_{ta_1}＜T_{ta_2}＜……＜T_{ta_n}=T_max；

T_修正值=T_测量值×( K_{ta_i}×K_基原) / K_{ta_ii}

2.根据权利要求1所述的铂热电阻传感器误差修正方法，其特征在于还包括如下步骤：

3.根据权利要求1或2所述的铂热电阻传感器误差修正方法，其特征在于步骤S1所述的获取铂热电阻的电阻值与温度测量值之间的数值关系，具体包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的铂热电阻传感器误差修正方法，其特征在于所述步骤3）具体包括如下步骤：

① 将与铂热电阻的分度表进行对比，直至得到分度表内的电阻值R_n与R_n+1，满足R_n<R_原<R_n+1；

③ 采用下式计算得到未修正的测量温度值T_测量值：

T_测量值=T_n+(R_原- R_n)/(R_n+1- R_n)×num。

5.根据权利要求3所述的铂热电阻传感器误差修正方法，其特征在于步骤3）所述的分度表，为根据铂热电阻产品自带的三个温度点的温度值和温度点对应的电阻值，和以下公式计算得到：

R_t=R₀×（1+A×t+B×t²）

式中为，R_t为t℃时的铂热电阻阻值，R₀为0℃时的铂热电阻阻值，t为温度值，A、B为常数。

6.根据权利要求1或2所述的铂热电阻传感器误差修正方法，其特征在于步骤S3所述的得到平均测量温度-修正补偿系数曲线，具体包括如下步骤：

4）重复步骤2）~步骤3），完成所有测量点的温度测量和平均修正补偿系数的计算，得到平均测量温度-修正补偿系数曲线。

7.根据权利要求1或2所述的铂热电阻传感器误差修正方法，其特征在于步骤S3所述的P个铂热电阻温度传感器，为20个铂热电阻温度传感器。

8.根据权利要求1或2所述的铂热电阻传感器误差修正方法，其特征在于步骤S4所述的基本温度点，为根据热量表行业标准中规定的出厂检测要求选取为50℃。

9.一种热量表，其特征在于应用权利要求1~8之一所述的铂热电阻传感器误差修正方法进行温度测量。