CN111141406A - 一种pt100测温系统和测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PT100测温系统和测温方法，该PT100测温系统包括电源；与所述电源相连的恒流源电路；与所述恒流源电路连接的切换电路；与所述切换电路连接的放大电路；与所述放大电路连接的电气隔离电路以及与所述电气隔离电路连接的主控模块；所述切换电路包括用于测温的三线制PT100、精密电阻以及与所述三线制PT100和所述精密电阻分别相连的模拟开关芯片。通过设置切换电路，去除了系统内部电路产生的误差，以实现系统自带参考基准，生产时不需要另外的误差校准。

Description

一种PT100测温系统和测温方法

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，具体涉及一种PT100测温系统和测温方法。

背景技术

随着工业自动化大力发展与完善，温度检测成为自动化控制中不可或缺的重要因素之一；因监控温度的位置、距离等环境因素的差异，引入的线材阻抗不同，给温度测量带来极大干扰。同时，因生产环境中温度的差异，批量生产时，需要提供高精度的温度测量仪器辅助精度校准。且同一产品，在不同温度环境下，误差值存在差异，并不能仅使用校准后的误差进行全工作范围内的误差补偿。造成实际测试中，测量误差都无法避免。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的PT100测温系统和测温方法用于解决目前的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种PT100测温系统和测温方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

为了实现上述目的，本发明提供了一种PT100测温系统，所述测温系统包括电源；与所述电源相连以提供恒定电流的恒流源电路；与所述恒流源电路连接的切换电路，所述切换电路接入所述恒定电流，并产生第一电压模拟信号；与所述切换电路连接的放大电路，用于放大所述第一电压模拟信号以形成第二电压模拟信号；与所述放大电路连接的电气隔离电路以及与所述电气隔离电路连接的主控模块，所述电气隔离电路将所述第二电压模拟信号隔离输入所述主控模块，所述主控模块根据所述第二电压模拟信号获取对应的电压数据，根据所述电压数据获取对应的温度；

所述切换电路包括用于测温的三线制PT100、精密电阻以及与所述三线制PT100和所述精密电阻分别相连的模拟开关芯片。

优选的，所述模拟开关芯片接至第一连接电路，以使所述恒流源接地后依次流经所述放大电路和所述电气隔离电路，所述主控模块获取的电压数据为第一电压；

所述模拟开关芯片接至第二连接电路，以使所述恒流源依次流经所述精密电阻、所述放大电路和所述电气隔离，所述主控模块获取的电压数据为第二电压；

所述模拟开关芯片接至第三连接电路，以使所述恒流源依次流经所述三线制PT100，所述三线制PT100的第一引脚、所述放大电路和所述电气隔离电路，所述主控模块获取的电压数据为第三电压；

所述模拟开关芯片接至第四连接电路，以使所述恒流源依次流经所述三线制PT100、所述三线制PT100的第二引脚、所述放大电路和所述电气隔离电路，所述主控模块获取的电压数据为第四电压。

优选的，所述主控模块还包括与所述电气隔离电路相连的模数转换电路以及与所述模数转换电路相连的CPU，所述模数转换电路还与所述电源相连，用于将所述第二电压模拟信号转换为数字信号输入所述CPU。

优选的，所述精密电阻为精度为0.1％的高精度、低温漂电阻，所述精密电阻为阻值100欧。

优选的，所述恒流源电路采用TL431芯片，所述恒流源的理论电流为1mA。

优选的，所述放大电路包括第一运放器以及与所述第一运放器分别相连的取样电阻和负反馈电阻。

优选的，所述负反馈电阻与所述取样电阻的电阻阻值比为22:1，以将所述第一电压模拟信号放大23倍。

优选的，所述电气隔离电路包括线性光耦、两个分别连接所述线性光耦输入端和输出端的第二运放器以及两个分别连接所述线性光耦输入端和输出端的第一电阻，所述线性光耦的输入端和输出端电流相同。

本发明还提供了一种PT100测温方法，所述方法包括：

获取恒流源输出接地后，依次流经放大电路和电气隔离电路后的第一电压值；

获取所述恒流源依次流经精密电阻、所述放大电路和所述电气隔离电路后的第二电压；

获取所述恒流源依次流经三线制PT100、所述三线制PT100的第一引脚、所述放大电路和所述电气隔离电路后的第三电压；

获取所述恒流源依次流经所述三线制PT100、所述三线制PT100的第二引脚、所述放大电路和所述电气隔离电路后的第四电压；

根据所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和所述第四电压获取所述恒流源的实际电流、所述三线制PT100的引线线阻和所述三线制PT100的电阻。

优选的，所述根据所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和所述第四电压获取所述恒流源的实际电流、所述三线制PT100的引线线阻和所述三线制PT100的电阻，包括：

根据所述第一电压和所述第二电压获取所述恒流源的实际电流；

根据所述第三电压、所述第四电压和所述恒流源的实际电流获取所述三线制PT100的引线线阻；

根据所述恒流源的实际电流、所述三线制PT100的引线线阻、所述第一电压和所述第四电压获得所述三线制PT100的电阻。

本发明的有益效果为提供了一种PT100测温系统和测温方法，所述PT100测温系统包括电源；与所述电源相连的恒流源电路；与所述恒流源电路连接的切换电路；与所述切换电路连接的放大电路；与所述放大电路连接的电气隔离电路以及与所述电气隔离电路连接的主控模块；所述切换电路包括用于测温的三线制PT100、精密电阻以及与所述三线制PT100和所述精密电阻分别相连的模拟开关芯片。通过设置切换电路，去除系统内部电路产生的误差，以实现系统自带参考基准，生产时不需要另外的误差校准。

附图说明

图1是本发明实施例的PT100测温系统的结构示意图。

图2是本发明实施例的图1中恒流源电路的电路图。

图3是本发明实施例的图1中切换电路的电路图。

图4是本发明实施例的图1中放大电路的电路图。

图5是本发明实施例的图1中电气隔离电路的电路图。

图6是本发明实施例的图3中模拟开关芯片U7的参数图。

图7是本发明实施例的测温方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

本发明提供了一种PT100测温系统，请参阅图1，该PT100测温系统包括电源6，电源6为开关电源，为系统提供两路电源；与电源6相连以提供恒定电流的恒流源电路1；与恒流源电路1连接的切换电路2，切换电路2接入恒定电流，并产生第一电压模拟信号；与切换电路2连接的放大电路3，用于放大第一电压模拟信号以形成第二电压模拟信号；与放大电路3连接的电气隔离电路4以及与电气隔离电路4连接的主控模块5，电气隔离电路4用于将第二电压模拟信号隔离输出至主控模块5，主控模块5用于根据第二电压模拟信号获取对应的电压数据，根据此时的电压数据来计算对应的温度。

其中，请参阅图3，该切换电路3包括用于测温的三线制PT100、精密电阻R18以及与三线制PT100和精密电阻R18分别相连的模拟开关芯片U7。

优选的，请参阅图3，该切换电路2采用模拟开关芯片(U7)搭建、包括用于检测的三线制PT100，该三线制PT100包括线阻为R16的引线1，线阻为R22的引线2和线阻为R27的引线3；线阻R16、R22、R27为三线制PT100的引线电阻，默认三根线的阻抗是一致的，即R16＝R22＝R27；精密电阻R18为高精度、低温漂的电阻，精密电阻R18电阻为100欧。这里精密电阻R18优选0.1％的精度的高精度、低温漂的电阻，当然精密电阻R18的精度也可有其他选择，根据需求而定。能够保证在全温度范围内阻值基本不变；与该三线制PT100中的引线1和引线2以及精密电阻R18分别连接的模拟开关芯片(U7)。通过控制模拟开关芯片U7切换不同电路，以此获得电路中的不同的第一电压模拟信号。模拟开关芯片(U7)的参数如图6。模拟开关芯片(U7)接至第一连接电路，即控制切换电路(S0:S1＝03)，切换电路至1Y3至1Z，2Y3至2Z，以使恒流源接地后依次流经放大电路和电气隔离电路，主控模块获取的电压数据为第一电压；模拟开关芯片(U7)接至第二连接电路，即控制切换电路(S0:S1＝01)，切换电路至1Y1至1Z，2Y1至2Z，以使恒流源依次流经精密电阻、放大电路和电气隔离，主控模块获取的电压数据为第二电压；模拟开关芯片(U7)接至第三连接电路，即控制切换电路(S0:S1＝00)，切换电路至1Y0至1Z，2Y0至2Z，以使恒流源依次流经三线制PT100，三线制PT100的第一引脚、放大电路和电气隔离电路，主控模块获取的电压数据为第三电压；模拟开关芯片(U7)接至第四连接电路，即控制切换电路(S0:S1＝02)，切换电路至1Y2至1Z，2Y2至2Z，以使恒流源依次流经三线制PT100、三线制PT100的第二引脚、放大电路和电气隔离电路，主控模块获取的电压数据为第四电压。

优选的，主控模块5还包括与电气隔离电路4相连的模数转换电路以及与模数转换电路相连的CPU，模数转换电路还与恒流源电路1相连，用于将第二电压模拟信号转换为数字信号输出至CPU。其中，主控模块51的选择可以选择自带ADC功能的CPU成品。主控模块5不需要专用的计量芯片进行设计，可适用于任何带ADC功能的CPU进行设计以降低本系统的成本。

具体的，系统从市电(220V/AC)取强电，经开关电源6输出两路电源。一路为恒流源电路1、切换电路2、放大电路3和电气隔离电路4提供电源，一路为带ADC功能的CPU电路提供电源。

优选的，因PT100为温度敏感性器件，流过PT100电流太大，会造成其自身发热，影响PT100的温度测量精度。请参阅图2，图2的恒流源电路中，恒流源电路中的电流设计为1mA(理论电流)，电流小，不产生自热。U6采用TL431芯片，芯片在D位置输出2.5V电压。四个电阻R7、R8、R11、R12选相同阻值、性能的电阻。U1A与U1B为常用运放芯片，根据运放的“虚短、虚断”特性，可知条件1:C位置电压与E位置电压相同；A位置电压与B位置电压相同；四个电阻R7、R8、R11、R12阻值相同；流过R7电阻的电流与流过R8电阻的电流相同；流过R11电阻的电流与流过R12电阻的电流相同；D位置电压为2.5V。

依条件1建立如下关系式：

推导出一：

则流过电阻R9(阻值为2.5K欧)的电流为：

优选的，请参阅图4，如图4所示的放大电路，放大电路采用运放(U2B)常用运放芯片，以及与运放(U2B)常用运放芯片分别相连的取样电阻R23和负反馈电阻R20。负反馈电阻R20与取样电阻R23的电阻阻值比为22:1，假设R23＝1KΩ，R22＝22KΩ，根据运放的“虚短、虚断”特性，可知条件2：A位置电压与B位置电压相同；流过电阻R23的电流与流过电阻R20的电流相同；假设R23＝1KΩ，R22＝22KΩ。

依上述条件2建立如下关系式：

推导出二：V_C＝23V_B

即放大电路放大23倍输入的第一电压模拟信号。

优选的，如图5所示的电气隔离电路，电气隔离电路包括运放U2A、U3A，线性光耦OP1。线性光耦OP1的主要特性是芯片引脚1、2为驱动级，当驱动级启动时，流过芯片引脚3、4的电流近似等于流过芯片引脚5、6的电流；基于这个特性，对光耦前后端加运放U2A、U3A进行取样。且电阻R25、R26选取相同性能、阻值的电阻。根据运放的“虚短、虚断”特性，可知条件3：A位置电压与B位置电压相同；流过芯片引脚3、4的电流近似等于流过芯片引脚5、6的电流；电阻R25、R26性能、阻值相同；流过电阻R25的电流与流过芯片引脚3、4的电流相同；流过电阻R26的电流与流过芯片引脚5、6的电流相同。

依上述条件3建立如下关系式：

推导出三：V_C＝V_B

即光耦后端输出的电压(V_C)等于光耦前端输入的电压(V_B)，则经过电气隔离电路后的电压和隔离前的电压信号相等。

本发明实施例的PT100测温系统，通过切换电路2的设置，能够去除系统中各个电路产生的误差，批量生产时，不需要高精度的温度测量仪器辅助精度校准，减少生产环节，降低成本。不同三线PT100引线长度，引入的线阻差异，不影响PT100电阻的计量；能够提高测量精度。在切换电路2中仅通过设置单颗高精度、低温漂的精密电阻R18，就能实现工作范围为产品进行误差补偿。

PT100测温系统抗干扰能力强：在进入主控模块之前采用电气隔离电路，提高系统的抗干扰能力，增加稳定性。

基于以上PT100测温系统，请参阅图7，本发明还提供了一种测温方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：获取恒流源输出接地后，依次流经放大电路3和电气隔离电路4后的第一电压值V_ADC1。即所述主控模块5获取恒流源输出接地，接地后电压经放大电路3取样和电气隔离电路4取样的第一电压值V_ADC1。

具体的，请参阅图2-5，当控制切换电路(S0:S1＝03)，切换电路至1Y3至1Z，2Y3至2Z，即恒流源电路1输出恒定电流接到GL_GND上，放大电路3输入端为GL_GND输入。经过电气隔离后传到CPU进行ADC进行测量采样，此时测量的数值为放大电路电压偏置及电气隔离误差的数值；设定放大电路电压偏置误差为V_OS，电气隔离误差为V_IS，则测量电压值V_ADC1＝V_OS*23+V_IS。

步骤S2：获取所述恒流源依次流经精密电阻R18、所述放大电路3和所述电气隔离电路4后的第二电压V_ADC2。即主控模块5获取恒流源经过精密电阻R18、精密电阻R18两端电压经放大电路3和电气隔离电路4取样的第二电压V_ADC2。

具体的，请参阅图2-5，当控制切换电路(S0:S1＝01)，切换电路至1Y1至1Z，2Y1至2Z，即恒流源电路1输出恒定电流接到高精度、低温漂电阻(R18)上，放大电路3输入端为恒流源(理论电流为1mA)流过高精度、低温漂电阻(R18)的电压降输入。电气隔离后传到CPU进行ADC进行测量采样，此时测量的数值为放大电路及电气隔离电路测量高精度、低温漂电阻(R18)的电压降数值；假定恒流源的实际电流为I(即恒流源此时电流，恒流源的理论电流为1mA),高精度、低温漂电阻(R18)电阻值为100，则测量电压值V_ADC2＝(I*R18+V_OS)*23+V_IS＝(I*100+V_OS)*23+V_IS，即V_ADC2＝(I*100+V_OS)*23+V_IS。

步骤S3：获取恒流源依次流经三线制PT100，所述三线制PT100第一引脚、所述放大电路3和所述电气隔离电路4后的第三电压V_ADC3。即主控模块5获取恒流源经过三线制PT100，三线制PT100第一引脚的电压经放大电路3和电气隔离电路4取样的第三电压V_ADC3。

具体的，请参阅图2-5，当控制切换电路(S0:S1＝00)，切换电路至1Y0至1Z，2Y0至2Z，即恒流源电路1输出恒定电流接到三线制PT100第1引脚上，放大电路3输入端为恒流源(理论电流1mA)流过三线制PT100第1引脚电压降输入。电气隔离后传到主控模块5，主控模块中的CPU进行ADC进行测量采样，此时测量的数值为放大电路及电气隔离电路测量恒流源(理论电流1mA)流过三线制PT100第1引脚电压降数值；假定PT100的阻值为R_PT100，PT100的引线线阻为R_L(图中R16、R22、R27为引线线阻)，则测量电压值V_ADC3＝(I*(R_PT100+R16+R27)+V_OS)*23+V_IS＝(I*(R_PT100+2R_L)+V_OS)*23+V_IS,即V_ADC3＝(I*(R_PT100+2*R_L)+V_OS)*23+V_IS。

步骤S4：获取恒流源依次流经所述三线制PT100、所述三线制PT100第二引脚、所述放大电路3和所述电气隔离电路4后的第四电压V_ADC4。即主控模块5获取恒流源经过三线制PT100，三线制PT100第二引脚的电压经放大电路和电气隔离电路取样的第四电压V_ADC4。

具体的，请参阅图2-5，当控制切换电路(S0:S1＝02)，切换电路至1Y2至1Z，2Y2至2Z，即恒流源电路1输出恒流源接到三线制PT100第1引脚上，放大电路3输入端为恒流源(理论电流1mA)流过三线制PT100第2引脚电压降输入。经过电气隔离电路4进行电气隔离后传到主控模块5中的CPU进行ADC进行测量采样，此时测量的数值为放大电路3及电气隔离电路4测量恒流源(理论电流为1mA)流过三线制PT100第2引脚电压降数值；假定PT100的阻值为R_PT100，PT100的引线线阻为R_L(图中R16、R22、R27为线阻)，则测量电压值V_ADC4＝(I*(R_PT100+R27)+V_OS)*23+V_IS＝(I*(R_PT100+R_L)+V_OS)*23+V_IS,即V_ADC4＝(I*(R_PT100+R_L)+V_OS)*23+V_IS。

步骤S5：主控模块5根据第一电压V_ADC1、第二电压V_ADC2、第三电压V_ADC3和第四电压V_ADC4获取恒流源的实际电流I、三线制PT100的引线线阻R_L和三线制PT100的电阻R_PT100。

具体的，根据第一电压V_ADC1和第二电压V_ADC2获取电流误差；根据第三电压V_ADC3、第四电压V_ADC4和恒流源的实际电流I获取三线制PT100的引线线阻R_L；根据恒流源的实际电流I、三线制PT100的引线线阻R_L、第一电压V_ADC1和第四电压V_ADC4获得三线制PT100的电阻R_PT100。根据三线制PT100的电阻R_PT100获得对应的温度，并绘制三线制PT100的电阻R_PT100和对应的温度变化曲线。

依上述V_ADC1、V_ADC2、V_ADC3和V_ADC4计算公式，建立如下关系式：

推导出四：

本发明实施例中，精密电阻R18采用高精度、低温漂电阻，保证其在系统工作范围内阻值不变，经上述步骤，可由R18的阻值及CPU的ADC采样值，依次计算出恒流源电路输出恒流源的实际电流I、三线制PT100的线阻R_L、三线制PT100阻值R_PT100。整个过程，无需额外进行校准辅助，由高精度、低温漂的精密电阻R18提供误差参考，其中精密电阻R18电阻为100欧，从而保证系统的测量精度。

在上述公式中：V_IS为电气隔离误差、V_OS为放大电路偏置电压误差、I为恒流源的实际电流(恒流源的理论电流为1mA)、R_L为PT100引线的线阻，均会因电路个体差异引入测量误差，影响最终测量精度。无论个体器件差异带来的误差如何不确定，经上述步骤及公式，可精确算出测量时的I、R_PT100、R_L。最后的R_PT100中已经去除系统中的电路器件带来的误差，测得的结果也更精准。因此在生产中也不需要另外进行校准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种PT100测温系统，其特征在于，所述测温系统包括电源；与所述电源相连以提供恒定电流的恒流源电路；与所述恒流源电路连接的切换电路，所述切换电路接入所述恒定电流，并产生第一电压模拟信号；与所述切换电路连接的放大电路，用于放大所述第一电压模拟信号以形成第二电压模拟信号；与所述放大电路连接的电气隔离电路以及与所述电气隔离电路连接的主控模块，所述电气隔离电路将所述第二电压模拟信号隔离输入所述主控模块，所述主控模块根据所述第二电压模拟信号获取对应的电压数据，根据所述电压数据获取对应的温度；

所述切换电路包括用于测温的三线制PT100、精密电阻以及与所述三线制PT100和所述精密电阻分别相连的模拟开关芯片。

2.如权利要求1所述的PT100测温系统，其特征在于，所述模拟开关芯片接至第一连接电路，以使所述恒流源接地后依次流经所述放大电路和所述电气隔离电路，所述主控模块获取的电压数据为第一电压；

所述模拟开关芯片接至第二连接电路，以使所述恒流源依次流经所述精密电阻、所述放大电路和所述电气隔离，所述主控模块获取的电压数据为第二电压；

所述模拟开关芯片接至第三连接电路，以使所述恒流源依次流经所述三线制PT100，所述三线制PT100的第一引脚、所述放大电路和所述电气隔离电路，所述主控模块获取的电压数据为第三电压；

所述模拟开关芯片接至第四连接电路，以使所述恒流源依次流经所述三线制PT100、所述三线制PT100的第二引脚、所述放大电路和所述电气隔离电路，所述主控模块获取的电压数据为第四电压。

3.如权利要求1所述的PT100测温系统，其特征在于，所述主控模块还包括与所述电气隔离电路相连的模数转换电路以及与所述模数转换电路相连的CPU，所述模数转换电路还与所述电源相连，用于将所述第二电压模拟信号转换为数字信号输入所述CPU。

4.如权利要求1所述的PT100测温电路，其特征在于，所述精密电阻为精度为0.1％的高精度、低温漂电阻，所述精密电阻为阻值100欧。

5.如权利要求1所述的PT100测温电路，其特征在于，所述恒流源电路采用TL431芯片，所述恒流源的理论电流为1mA。

6.如权利要求1所述的PT100测温电路，其特征在于，所述放大电路包括第一运放器以及与所述第一运放器分别相连的取样电阻和负反馈电阻。

7.如权利要求6所述的PT100测温电路，其特征在于，所述负反馈电阻与所述取样电阻的电阻阻值比为22:1，以将所述第一电压模拟信号放大23倍。

8.如权利要求1所述的PT100测温电路，其特征在于，所述电气隔离电路包括线性光耦、两个分别连接所述线性光耦输入端和输出端的第二运放器以及两个分别连接所述线性光耦输入端和输出端的第一电阻，所述线性光耦的输入端和输出端电流相同。

9.一种PT100测温方法，其特征在于，所述方法包括：

获取恒流源输出接地后，依次流经放大电路和电气隔离电路后的第一电压值；

获取所述恒流源依次流经精密电阻、所述放大电路和所述电气隔离电路后的第二电压；

获取所述恒流源依次流经三线制PT100、所述三线制PT100的第一引脚、所述放大电路和所述电气隔离电路后的第三电压；

获取所述恒流源依次流经所述三线制PT100、所述三线制PT100的第二引脚、所述放大电路和所述电气隔离电路后的第四电压；

根据所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和所述第四电压获取所述恒流源的实际电流、所述三线制PT100的引线线阻和所述三线制PT100的电阻。

10.如权利要求8所述的PT100测温方法，其特征在于，

所述根据所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和所述第四电压获取所述恒流源的实际电流、所述三线制PT100的引线线阻和所述三线制PT100的电阻，包括：

根据所述第一电压和所述第二电压获取所述恒流源的实际电流；

根据所述第三电压、所述第四电压和所述恒流源的实际电流获取所述三线制PT100的引线线阻；

根据所述恒流源的实际电流、所述三线制PT100的引线线阻、所述第一电压和所述第四电压获得所述三线制PT100的电阻。

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