CN106092363B - 一种基于Pt100的温度传感器电路及其测温方法 - Google Patents

一种基于Pt100的温度传感器电路及其测温方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于Pt100的温度传感器电路，该电路包括测量模块、读取模块、转换模块和显示模块：测量模块包括Pt100电阻器、精密电阻器和偏置电阻器，读取模块为内置有电压源、仪表放大器和电流源的AD7793芯片，精密电阻器和Pt100电阻器分别通过AD7793的两个基准电流源输出端口供电，通过偏置电阻提供公共电压参考点。Pt100电阻器采用四线制接法形成温度电压，精密电阻电路产生恒定电压，两个电压分别与AD7793的正负输入端连接，AD7793芯片用于采集与读取其差分模拟输入的正负两端之间的电压，转换模块将电压值转化为温度值并发送至显示模块。本发明还公开了一种使用上述温度传感器电路的测温方法。该电路在保证测量高精度的同时，具有高灵敏度和小体积的特点。

Description

一种基于Pt100的温度传感器电路及其测温方法
技术领域
本发明涉及温度传感器技术领域。更具体地，涉及一种基于Pt100的温度传感器电路及其测温方法。
背景技术
温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相对运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。
热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如Pt100、Pt1000等。Pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变，Pt后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。Pt100铂电阻测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好，在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。
当前，众多研究领域都涉及温度问题，许多精密仪器仪表都需要保持内部元器件的温度保持在某个温度点或者某个很小的温度范围内，才能保证测量精准，天文望远镜内部的晶体就是受温度影响很大的一种元器件。
考虑到仪器仪表内空间大多狭小，又对测量结果的精度有较高要求，通常采用符合IEC60751工业铂电阻标准的Pt100电阻作为感温电阻，其温度每变化1℃，电阻值变化0.39Ω，最高等级可达0.1℃的精度。
然而，当前测温电路多偏重改善测温精度，当在恒温环境下进行温度测量时并不能灵敏感应出温度的细小变化，例如天文望远镜内的晶体一般要求在42℃的恒温环境下工作，如果直接使用Pt100两端的电压作为AD芯片的模拟输入电压，将有116.31Ω的电阻作为基值，并不会产生变动，且这个基值会使得AD芯片内的仪表放大器无法选择较大的放大倍数，其测温的灵敏度较低。
因此，需要提供一种具有高灵敏度的基于Pt100的温度传感器电路及其测温方法。
发明内容
依托于国家自然科学基金天文联合基金(U1431119)，为了克服传统Pt100温度传感器恒温环境灵敏度低的缺陷，设计了本发明。本发明的一个目的在于提供一种基于Pt100的高灵敏度温度传感器电路，该电路包括测量模块、读取模块、转换模块和显示模块。
测量模块包括Pt100电阻器(Rt)、精密电阻器(Rc)和偏置电阻器(Rbias)。
Pt100电阻器(Rt)包括第一端子(1)、第二端子(2)、第三端子(3)和第四端子(4)。
精密电阻器(Rc)包括第一端子(5)、第二端子(6)和第三端子(7)。
Pt100电阻器(Rt)第三端子(3)与精密电阻器(Rc)第三端子(7)相连，Pt100电阻器(Rt)第四端子(4)与偏置电阻器(Rbias)串联后接地。
读取模块为AD7793芯片，其包括内置的带隙基准电压源、仪表放大器和电流源。
AD7793芯片第一电流输出端(IOUT1)与Pt100电阻器(Rt)第一端子(1)相连，AD7793芯片第二电流输出端(IOUT2)与精密电阻器(Rc)第一端子(5)相连，AD7793芯片差分模拟输入正端(AIN+)与Pt100电阻器(Rt)第二端子(2)相连，AD7793芯片差分模拟输入负端(AIN-)与精密电阻器(Rc)第二端子(6)相连。
转换模块的输入与所述读取模块输出相连，用于将读取模块读取的电压数据转化为温度数据并将该温度数据发送至显示模块。
显示模块用于显示所述温度数据。
优选地，转换模块通过无线技术传输向所述显示模块传输温度数据。
进一步优选地，无线技术为蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波无线定位技术中的任一种。
优选地，转换模块为CC2530芯片
优选地，精密电阻器(Rc)阻值为100Ω。
优选地，带隙基准电压源电压值为1.17V。
优选地，仪表放大器增益值为2、4、8、16、32、64或128。
优选地，电流源为恒流源，AD7793芯片第一电流输出端(IOUT1)与AD7793芯片第二电流输出端(IOUT2)输出电流相同，其输出电流值为10uA、220uA或1000μA。
优选地，电流源输出电流值为210μA，偏置电阻器(Rbias)阻值为0.8-6.5kΩ。
优选地，电流源输出电流值为1000μA，偏置电阻器(Rbias)阻值为0.2-1.3kΩ。
本发明的另一个目的在于提供一种温度传感器电路的测温方法，该方法包括以下步骤：
Step1：对温度传感器电路进行初始化；
Step2：读取模块采集差分模拟输入端电压；
Step3：读取模块判断采集过程是否完成，若否，则等待采集完成，若是，则执行下一步骤；
Step4：读取模块得到测量电压值；
Step5：转换模块根据所述测量电压值和Pt100电阻特性计算出待测温度值；
Step6：返回结果并在显示模块上显示所述温度数据。
优选地，步骤Step6为：返回结果，转换模块通过无线传输技术将温度数据传输至显示模块，显示模块显示温度数据。
本发明的有益效果如下：
1.本发明使用的精密电阻阻值可根据需要测量的温度点或范围来决定，当决定该基值后，Pt100靠近恒流源的一端与精密电阻靠近恒流源的一端会在温度发生变化时产生电压，将所述电压通过AD7793的差分模拟输入端引入，同时可用AD7793内部仪表放大器进行放大，从而使得传感器电路能够测量更细微的温度变化，具有对温度的变化更加敏感的特征，使得本发明能够具有高灵敏度的特征。
2.本发明中AD7793芯片自带的恒流源与带隙基准电压源都符合高精度低温漂的特性，足以满足Pt100对温度的高精度测量，同时精密电阻也是高精度低温漂的，对结果产生的误差很小，使得本发明能够具有高精度的特征。
3.本发明的电路采用的器件很少，仅由Pt100电阻器、精密电阻器、偏置电阻器与AD7793芯片、CC2530核心芯片以及必要的晶振和电阻电容构成，具有体积小的特征。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出一种基于Pt100的温度传感器电路结构原理图。
图2示出铂电阻线制分类。
图3示出测量模块与读取模块的连接关系图。
图4示出一种使用该温度传感器电路的测温方法步骤图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于Pt100的温度传感器电路，其工作原理为：
本发明中该电路包括测量模块、读取模块、转换模块和显示模块。
测量模块包括Pt100电阻器Rt、精密电阻器Rc和偏置电阻器Rbias，读取模块为内置有带隙基准电压源、低噪声可编程增益仪表放大器和可编程电流源的AD7793芯片，在本发明中，转换模块为CC2530芯片，显示模块为具有显示功能和无线接收功能的显示装置。
铂电阻的分类有很多，按0℃时的基准阻值R0分别有25、50、100和1000等欧姆值。而根据封装时的线制可分为两线制、三线制与四线制。图2从左往右分别为两线制、三线制与四线制的示意图。
三种线制相比较，鉴于放大器输入端子的+V与-V之间等效的输入阻抗很大，故四线制的方式是最大限度消除引线电阻的方法。
精密电阻器Rc和Pt100电阻器Rt分别通过AD7793的两个基准电流源输出口供电，通过偏置电阻Rbias提供公共电压参考点。Pt100电阻器Rt采用四线制接法形成温度电压Vi+，精密电阻Rc产生恒定电压Vi-，两个电压分别与AD7793的正负输入端连接。
AD7793芯片用于采集与读取其差分模拟输入的正负两端之间的电压。
CC2530用于通过无线传输方式将测得数据发送出去。
分析其对灵敏度的提高如下：
设Pt100的电阻值为Rt，其电压为VA；精密电阻的阻值为Rc，其电压为VB；设恒流源1与恒流源2产生的电流分别为Iout1与Iout2，且Iout1＝Iout2＝1000uA；AD7793芯片的AIN+接Pt100的近恒流源端，AD7793芯片的AIN-接精密电阻的近恒流源端，AD7793芯片的差分模拟输入电压为Vi，那么Vi＝VA-VB；当直接使用四线制Pt100测量温度时Vi＝VA，显然该值大于本发明中的Vi＝VA-VB，所以本发明能够使得AD7793的模拟输入电压更小，从而通过内置仪表放大器时能够被放大更大的倍数。
例如，若要测量0～23℃的温度范围时，若直接使用四线制Pt100，根据IEC60751标准，电阻变化范围为100～108.97Ω，AD7793差分模拟输入电压Vi的变化范围为100～108.97mV，由于内部参考电压值为1.17V，故仪表放大器的最大放大倍数为8倍；在本发明中，取精密电阻阻值Rc＝100Ω，AD7793差分模拟输入电压Vi的变化范围为0～8.97mV，仪表放大器最大可取128倍(当放大128倍时，最大的模拟输入电压为1170mV/128＝9.14mV)。由上可得，温度变化范围在23℃以内的温度测量都可以使用128倍的放大倍数。
在一个具体实施例中，一种基于Pt100的高灵敏度温度传感器电路，该电路包括测量模块、读取模块、转换模块和显示模块。
测量模块包括Pt100电阻器(Rt)、精密电阻器(Rc)和偏置电阻器(Rbias)。Pt100电阻器(Rt)包括第一端子(1)、第二端子(2)、第三端子(3)和第四端子(4)。精密电阻器(Rc)包括第一端子(5)、第二端子(6)和第三端子(7)。Pt100电阻器(Rt)第三端子(3)与精密电阻器(Rc)第三端子(7)相连，Pt100电阻器(Rt)第四端子(4)与偏置电阻器(Rbias)串联后接地。
读取模块为AD7793芯片，其包括内置的带隙基准电压源、仪表放大器和电流源。AD7793芯片第一电流输出端(IOUT1)与Pt100电阻器(Rt)第一端子(1)相连，AD7793芯片第二电流输出端(IOUT2)与精密电阻器(Rc)第一端子(5)相连，AD7793芯片差分模拟输入正端(AIN+)与Pt100电阻器(Rt)第二端子(2)相连，AD7793芯片差分模拟输入负端(AIN-)与精密电阻器(Rc)第二端子(6)相连。
图3示出测量模块与读取模块的连接关系。
转换模块为CC2530芯片，其输入与读取模块输出相连，用于将读取模块读取的电压数据转化为温度数据。
应注意的是，转换模块选用不同的芯片，其将对应于不同的无线传输技术。如要采用蓝牙的无线方式传输，则对应使用CC2540来替代其完成相应功能。
显示模块用于显示所述温度数据。
根据实际使用的需要，转换模块可以与显示模块电连接，转换模块也可以通过无线技术传输向所述显示模块传输温度数据。无线技术为蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波无线定位技术中的任一种。
在本实施例中，精密电阻器(Rc)阻值为100Ω。带隙基准电压源电压值为1.17V。仪表放大器增益值为2、4、8、16、32、64或128。电流源为恒流源，AD7793芯片第一电流输出端(IOUT1)与AD7793芯片第二电流输出端(IOUT2)输出电流相同，其输出电流值为10uA、220uA或1000μA。电流源输出电流值为210μA，偏置电阻器(Rbias)阻值为0.8-6.5kΩ，本实施例中偏置电阻器(Rbias)阻值的具体取值为800Ω。
应该注意的是，在另一个具体实施例中，电流源为可编程电流源，其输出电流值为1000μA，偏置电阻的大小应与电流值大小相匹配，使得AD7793内置可编程增益仪表放大器有效，本实施例中偏置电阻Rbias的阻值为0.2-1.3kΩ，本实施例中偏置电阻器(Rbias)阻值的具体取值为200Ω。
偏置电阻部分的阻值是综合以下两点考虑计算出的：一是AD7793与CC2530的电源电压要求，CC2530工作电压为2-3.6V，AD7793工作电压为2.7-5.25V，符合二者的工作电压范围为2.7-3.6V，一般取3V较为合适；二是AD7793仪表放大器有效的输入电压范围为GND+300mV～AVDD-100mV，AVDD为电源电压，一般GND取0V(实际上很难取到绝对的0电压，不过一般都很小，趋近于0)，那么输入电压应该满足300mV-2900mV的范围，偏置电阻的阻值正是结合该电压范围和所采用的恒流源的电流值来计算的。
本发明使用的精密电阻阻值可根据需要测量的温度点或范围来决定，当决定该基值后，Pt100靠近恒流源的一端与精密电阻靠近恒流源的一端会在温度发生变化时产生电压，将所述电压通过AD7793的差分模拟输入端引入，同时可用AD7793内部仪表放大器进行放大，从而使得传感器电路能够测量更细微的温度变化，具有对温度的变化更加敏感的特征。
如图4所示，一种基于Pt100的温度传感器电路的测温方法，该方法包括以下步骤：
Step1：对温度传感器电路进行初始化；
Step2：读取模块采集差分模拟输入端电压；
Step3：读取模块判断采集过程是否完成，若否，则等待采集完成，若是，则执行下一步骤；
Step4：读取模块得到测量电压值；
Step5：转换模块根据所述测量电压值和Pt100电阻特性计算出待测温度值；
Step6：返回结果并在显示模块上显示所述温度数据。
应注意的是，上述步骤Step6还可以为：返回结果，转换模块通过无线传输技术将温度数据传输至显示模块，显示模块显示温度数据。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (12)

1.一种基于Pt100的温度传感器电路，其特征在于，该电路包括测量模块、读取模块、转换模块和显示模块，其中
测量模块包括Pt100电阻器(Rt)、精密电阻器(Rc)和偏置电阻器(Rbias)，所述Pt100电阻器(Rt)包括第一端子(1)、第二端子(2)、第三端子(3)和第四端子(4)，所述精密电阻器(Rc)包括第一端子(5)、第二端子(6)和第三端子(7)；其连接关系为：所述Pt100电阻器(Rt)第三端子(3)与所述精密电阻器(Rc)第三端子(7)相连，所述Pt100电阻器(Rt)第四端子(4)与所述偏置电阻器(Rbias)串联后接地；
读取模块为AD7793芯片，其包括内置的带隙基准电压源、仪表放大器和电流源；其连接关系为：所述AD7793芯片第一电流输出端(IOUT1)与所述Pt100电阻器(Rt)第一端子(1)相连，所述AD7793芯片第二电流输出端(IOUT2)与所述精密电阻器(Rc)第一端子(5)相连，所述AD7793芯片差分模拟输入正端(AIN+)与所述Pt100电阻器(Rt)第二端子(2)相连，所述AD7793芯片差分模拟输入负端(AIN-)与所述精密电阻器(Rc)第二端子(6)相连；
转换模块的输入与所述读取模块输出相连，用于将所述读取模块读取的电压数据转化为温度数据并将所述温度数据发送至所述显示模块；
显示模块用于显示所述温度数据。
2.根据权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于，所述转换模块通过无线技术传输向所述显示模块传输温度数据。
3.根据权利要求2所述的温度传感器电路，其特征在于，所述无线技术为蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波无线定位技术中的任一种。
4.根据权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于，所述转换模块为CC2530芯片。
5.根据权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于，所述精密电阻器(Rc)阻值为100Ω。
6.根据权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于，所述带隙基准电压源电压值为1.17V。
7.根据权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于，所述仪表放大器增益值为2、4、8、16、32、64或128。
8.根据权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于，所述电流源为恒流源，所述AD7793芯片第一电流输出端(IOUT1)与AD7793芯片第二电流输出端(IOUT2)输出电流相同，其输出电流值为10μA、220μA或1000μA。
9.根据权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于，所述电流源输出电流值为210μA，所述偏置电阻器(Rbias)阻值为0.8-6.5kΩ。
10.根据权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于，所述电流源输出电流值为1000μA，所述偏置电阻器(Rbias)阻值为0.2-1.3kΩ。
11.一种使用权利要求1-10中任一种温度传感器电路的测温方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
Step1：对温度传感器电路进行初始化；
Step2：读取模块采集差分模拟输入端电压；
Step3：读取模块判断采集过程是否完成，若否，则等待采集完成，若是，则执行下一步骤；
Step4：读取模块得到测量电压值；
Step5：转换模块根据所述测量电压值和Pt100电阻特性计算出待测温度值；
Step6：返回结果并在显示模块上显示所述温度数据。
12.根据权利要求11所述测温方法，其特征在于，在所述步骤Step6为：返回结果，所述转换模块通过无线传输技术将所述温度数据传输至所述显示模块，显示模块显示所述温度数据。
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