CN109116121A

CN109116121A - 一种适用于低温环境的高精度电阻测量仪

Info

Publication number: CN109116121A
Application number: CN201810839037.1A
Authority: CN
Inventors: 武贵龙; 蒋观利; 贠汉伯
Original assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Current assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2019-01-01

Abstract

本发明涉及一种适用于低温环境的高精度电阻测量仪，以CPU处理器作为控制核心，使用比例法进行电阻测量，高精度恒压源通过标准电阻产生高精度标准恒流源作用在待测电阻上,设计最优测量范围为500Ω~3KΩ；本发明需在高寒高海拔环境下的稳定工作，提出外壳内侧保温、主电路恒温模块结构性封装设计，降低电路元件温度漂移引入的不可控误差及提高设备在高寒高海拔环境下运行的稳定性。

Description

一种适用于低温环境的高精度电阻测量仪

技术领域

本发明涉及一种适用于低温环境的高精度电阻测量仪。

背景技术

在冻土科研事业中，地温作为一项基本指标，其测量方式从使用玻璃温度计测量到如今采用热敏电阻温度传感器测量。可以说热敏电阻的引入对于冻土科研来说具有划时代的意义，其具有更高的精度以及更好的便利性。随着科研工作的不断深入，测温电缆不断增多，传统电阻测量方式（万用表测量）已不能满足工作需求，由此引入了进口数据采集仪器，通过一系列的扩展改造，实现了部分测量的自动化，改善了工作条件和效率。然而，进口数据采集仪具有价格昂贵，功能繁多，操作复杂（需要针对不同项目编写不同的采集程序），安装困难等缺点，同时在大多数情况下，我们仅仅用到了其电阻测量功能（测量时还需要根据需求进行一系列扩展改造）。对于布设的大量的观测点来说，依靠进口数据采集仪实现自动化耗时耗力，同时需要大量的资金投入，短期内是不可能实现的。

在当前的工作中，采用进口设备组装改造而成“手提式采集设备”，在每次测试时，工作人员需提上“手提式采集设备”到达测温电缆布设地对各个电缆进行分别测量，测量结束后再对测量数据通过筛选计算等方式进行处理。在青藏高原的特殊环境下，笨重的测量设备给工作人员带来了难于估量的困难，获取资料的整个过程耗时长，频率低，耗资极大。因此，亟待需求一种电阻测量精度高，又能适应高寒高海拔地区稳定工作的低成本自动化仪器来提高工作效率。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于设计一种适用于低温环境的高精度电阻测量仪，该测量仪以CPU处理器为核心，使用比例法进行电阻测量，通过使用多路差分模数转换模块，降低不同ADC及基准电压对测量精度抗干扰的设计，实现了大量程的高精度电阻测量。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种适用于低温环境的高精度电阻测量仪，为一壳体，壳内侧附有保温层，壳内含有主电路结构件封装、CPU处理器、电源模块、恒温模块、37DB传感器接口、公共端、和数据传输接口；其特征是：CPU处理器作为电阻测量仪控制核心，联接主电路结构件封装；主电路结构件封装包括：相互串联的24位多路差分ADC芯片、恒流源、标准电阻R和模拟开关；模拟开关分别又与封装外37DB传感器接口和公共端联接；恒温模块联接主电路结构件封装，用于监测设备主电路温度；恒流源与CPU处理器联接，为CPU处理器输出稳定的电流I；电源模块为蓄电池，固定在保温外壳内侧；同样，数据存储模块和数据传输接口与CPU处理器联接，由CPU处理器从数据存储模块取出电阻测量数据并上传到数据传输接口连接的设备。

上述恒温模块包括测温器和加热器，测温器用于测量主电路的温度值，并将温度值传输至CPU处理器；加热器根据CPU处理器的加热指令对主电路进行加热至预设温度值。

本发明的优点和有益效果是：

1、本发明是针对实际测量需求开发，即实际测量中待测电阻的导线电阻已知，只需要测量Rx（Rx为待测电阻与导线电阻的和），测量过程中不需要得到独立的待测电阻值和导线电阻，充分发挥了比率法电阻测量的优势，具有较高的测量精度，能够解决实际需求问题；

2、本发明提出了外壳内侧保温、主电路恒温模块结构性封装设计，保证设备在运行过程中主板温度高于预设温度值，降低电路元件温度漂移引入的不可控误差，增强设备在高寒高海拔环境下的适应性；

3、本发明使用24位多路差分ADC芯片，主电路恒温模块结构性封装，降低不同ADC及基准电压对测量精度的影响，保证了设备在运行过程中主板温度高于预设温度值，降低电路元件温度漂移引入的不可控误差及提高设备运行的稳定性。

4、合理的选择测量量程，高精度的24位多路差分ADC芯片，避免测量过程中恒流源大小切换或者比例电阻大小切换、以及放大电路、ADC芯片、基准电压所引入的噪声；实现小信号放大、恒流源校准测量选择、量程控制功能。

5、本发明把供电电池固定在保温外壳内侧，需要更换蓄电池可打开外壳直接更换，兼具了保证蓄电池性能、延长其使用寿命及提高便利性的特点。

6、本发明在于解决现阶段测量需求，保证电阻测量精度、配套的测量接口、便利的数据存储传输。

附图说明

图1比例法电阻测量原理图；

图2是本发明设计框图；

图3是本发明工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案做进一步说明：

一种适用于低温环境的高精度电阻测量仪，为一壳体，壳内侧附有保温层，壳内含有主电路结构件封装、CPU处理器、电源模块、恒温模块、37DB传感器接口、公共端、数据存储模块和数据传输接口。CPU处理器作为电阻测量仪控制核心，联接主电路结构件封装；主电路结构件封装包括：相互串联的24位多路差分ADC芯片、恒流源、标准电阻R和模拟开关；模拟开关分别又与封装外37DB传感器接口和公共端联接。该测量仪使用CPU处理器作为控制核心，使用比例法进行电阻测量，高精度恒压源通过标准电阻产生高精度标准恒流源作用在待测电阻上, 量程范围为3mΩ～3MΩ。

测量仪壳内侧附聚氨酯泡沫保温材料和主电路恒温模块结构件封装。为了适应测量仪在高寒高海拔环境下稳定工作。壳内，恒温模块联接主电路结构件封装，用于监测设备主电路温度。恒温模块包括测温器和加热器，测温器用于测量主电路的温度值。测量仪开始测量前，首选监测测量仪主电路温度，当主电路温度低于预设温度值0℃时，测温器将所述温度值传输至CPU处理器，加热器根据CPU处理器的加热指令对主电路进行加热至预设温度值；以此保证设备在运行过程中主电路温度高于预设温度值。启动加热器进行加热，可满足温度预设条件，降低电路元件温度漂移引入的不可控误差。只有恒温模块监测到满足主电路工作的温度条件，待设备运行的稳定性时，才能启动电阻数据的测量。

恒流源与CPU处理器联接，为CPU处理器输出稳定的电流I。电流I流过标准电阻R、测量电阻Rx，其两端电压分别为V、V_X，则有，然后回到恒流源。ADC模块对标准电阻R、测量电阻Rx两端电压V、Vx同时进行差分测量。

CPU处理器总体管理设备运行，管理测量频率。24位多路差分ADC模块输出电压值、，由CPU进行运算获得Rx电阻值，即，k为差分电路放大倍数；通过模拟开关对37个电阻进行切换，轮流替代Rx在电路中的位置并对其进行逐个测量，同时管理数据的存储、传输及与外设通讯；

24位多路差分ADC模块，包括：差分放大电路、滤波电路、ADC芯片构成恒温结构封装件；选用的24位多路差分ADC芯片能够降低电流源、放大电路、以及ADC芯片所引入的误差，更大程度的保证电阻测量精度。ADC模块对标准电阻R、测量电阻Rx两端电压V、Vx同时进行差分测量；标准电阻R两端电压V以及待测电阻Rx两端电压V_X，经过放大电路及滤波电路由ADC芯片得出过放大后的电压值、，CPU处理器计算得出待测电阻Rx。

实际工作中，被测电阻均在1~2.5KΩ，为了避免测量过程中恒流源大小切换或者比例电阻大小切换引入的噪声对测量精度的影响，本发明电阻最优测量范围为500Ω~3KΩ，选用2KΩ低温漂精密电阻作为比例电阻R，测量过程中不需要切换比例电阻R及恒流源I的大小；

本发明使用的标准电阻R为低温漂精密电阻。根据实际需求，由于测温电缆的导线电阻都经过标定（即导线电阻已知），因此，在测量过程中可以不考虑设备接口以外的导线电阻，测量过程中不需要得到独立的待测电阻值和导线电阻。本发明选择了比例法进行电阻测量，只需要测量Rx（Rx为待测电阻与导线电阻的和），如图1所求：电流I流过电阻R、Rx(R为标准电阻，Rx为待测电阻与导线电阻的和)，其两端电压分别为V、V_X，则有，本发明中，V、V_X为测量值，R已知，可得出；

CPU处理器总体管理设备运行，管理测量频率为1~24次/天。ADC芯片输出电压值、由CPU进行运算获得Rx电阻值，即，k为差分电路放大倍数；

本发明选择37DB传感器接口为测量接口，并通过模拟开关对37个电阻R₁-R₃₇进行切换，轮流替代Rx在电路中的位置并对其进行逐个测量。测量结束，CPU把37个电阻值、I、、、Rx及环境温度T数据进行存储，以便于后期数据分析。数据存储模块和数据传输接口与CPU处理器联接，当需要数据传输时，CPU处理器从数据存储模块取出电阻测量数据并上传到数据传输接口连接的设备（如图2所示）。

电源模块为蓄电池，固定在保温外壳内侧。蓄电池在低温环境下容量及放电能力急剧下降，通常-15℃环境下蓄电池容量仅有25℃环境下的50%。供电蓄电池固定在保温外壳内侧，保温层对其保护，能保证蓄电池性能，延长使用寿命，在需要更换蓄电池时可打开外壳直接更换。

本发明硬件开发完成后进行软件程序的编写及功能调试。软件程序流程图如图3：设备上电自动运行，到达测量时间点，首先由测温监测主电路温度，若主电路温度低于0℃，则启动加热器对设备增温（如图3中N），测量模块满足预设温度条件（如图3中Y）主电路则开始数据测量（测量过程不再监测模块温度，以免造成测量中断），由CPU处理器控制，测量R₁-R₃₇数据由数据存储模块存储，分析数据时，CPU处理器从数据存储模块取出电阻测量数据并上传到数据传输接口连接计算机或U盘。

软硬件调试完毕，需封装设备恒温模块及整体外壳内侧37DB传感器接口、公共端，安装电源模块。

Claims

1.一种适用于低温环境的高精度电阻测量仪，为一壳体，壳内侧附有保温层，壳内含有主电路结构件封装、CPU处理器、电源模块、恒温模块、37DB传感器接口、公共端、数据存储模块和数据传输接口；其特征是：CPU处理器作为电阻测量仪控制核心，联接主电路结构件封装；主电路结构件封装包括：相互串联的24位多路差分ADC芯片、恒流源、标准电阻R和模拟开关；模拟开关分别又与封装外37DB传感器接口和公共端联接；恒温模块联接主电路结构件封装，用于监测设备主电路温度；恒流源与CPU处理器联接，为CPU处理器输出稳定的电流I；电源模块为蓄电池，固定在保温外壳内侧；同样，数据存储模块和数据传输接口与CPU处理器联接，由CPU处理器从数据存储模块取出电阻测量数据并上传到数据传输接口连接的设备。

2.一种适用于低温环境的高精度电阻测量仪，其特征是恒温模块包括测温器和加热器，测温器用于测量主电路的温度值，并将温度值传输至CPU处理器；加热器根据CPU处理器的加热指令对主电路进行加热至预设温度值。