CN112432714B - 一种多参考阻值比率测温结构及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多参考阻值比率测温结构及测量方法，该测温结构由参考电阻R₁、R₂……R_n和一个铂电阻R_t串联组成，n≥2，串联结构的两端导线为A₁、A₂，A₁、A₂与双向恒流源I_S相连；铂电阻的两端再引出两根导线，分别为M_Rt、N_Rt；每个参考电阻的两端再引出两根导线，相应地分别为M_R1、N_R1、M_R2、N_R2……M_Rn、N_Rn；导线M_Rt和导线M_R1、M_R2……M_Rn与电压采集单元的正输入端口相连；导线N_Rt和导线N_R1、N_R2……N_Rn与电压采集单元的负输入端口相连；该电压采集单元具有可切换测量对象的能力。该测温结构适合长距离、长测量时间、环境温度变化较大的应用场合，优点是可以削弱导线电阻及温差热电势对测量结果的影响，削弱电子器件非线性所导致的测量性能劣化。

Description

一种多参考阻值比率测温结构及测量方法

技术领域：

本发明涉及长距离温度测量技术、高分辨率温度测量技术、高准确度温度测量技术等，具体指一种多参考阻值比率测温结构，可广泛应用于长距离、长测量时间、高分辨率、高准确度、环境温度变化较大的温度测量领域中。

背景技术：

实现长距离、高分辨率、高准确度的温度测量对于科学研究及工业控制具有重要的现实意义，而由于温差热电势及导线电阻的影响，诸如隧道、矿井、深海及空间站等应用场合的温度测量结果往往偏差很大，且测温元件与模拟信号采集电路板的距离越长，偏差会越大。例如在对深100米的矿井测温时，地面温度为25℃，矿井内部温度为50℃，采用现有的三线制惠斯通电桥测量会由于温差热电势而带来约0.125mV的误差影响，且随着测量温度越高，电桥越来越不平衡，电桥两侧的电流差异越来越大，导线电阻带来的电压误差便不可抵消，越来越大；若采用现有的恒流源激励的铂电阻-参考电阻比率测温方法，虽然导线电阻及温差热电势对测量结果的影响较小，但其测温性能在铂电阻阻值远离参考电阻阻值时会产生性能的劣化，且对于测温系统的非线性标定结果会随着电子器件老化、环境温度变化等因素的影响而变差，无法满足长测温时间、环境温度变化较大的应用。目前，在公开可调研的文献中还没有发现与本发明类似的技术。

发明内容：

本发明主要目的是解决长距离下的温度测量准确度不高、长测量时间、电路使用环境温度变化较大的问题，利用多参考阻值比率测温结构来削弱恒流源长期漂移、温差电势以及电压测量中零点误差、灵敏度误差等引起的影响，削弱由于电子器件老化、环境温度变化所造成的电路非线性特性的改变，从而实现可应用于长距离、长测量时间、高分辨率、高准确度、环境温度变化较大场景的温度测量。

整个测温结构包括多个(大于等于2个)参考电阻R₁、R₂……R_n、一个铂电阻R_t、一个双向恒流源I_S和一个具有测量对象切换功能的电压采集单元。测温结构由参考电阻R₁、R₂……R_n和一个铂电阻R_t串联组成，该串联结构的两端导线记为A₁、A₂，A₁、A₂连接到双向恒流源I_S上；铂电阻的两端再引出两根导线，分别记为M_Rt、N_Rt；每个参考电阻的两端再引出两根导线，分别记为M_R1、N_R1、M_R2、N_R2……M_Rn、N_Rn；将导线M_Rt和导线M_R1、M_R2……M_Rn接入电压采集单元的正输入端口中；将导线N_Rt和导线N_R1、N_R2……N_Rn接入电压采集单元的负输入端口中；该电压采集单元具有可切换测量对象的能力。本发明的结构示意如图1所示。

当该多参考阻值比率测温结构连接长导线进行温度测量时，其电路结构模型简化为图2所示。其中r、E为长导线上的导线电阻与温差热电势，U_t，U_Ri分别为铂电阻R_t与参考电阻R_i(i＝1,2,…n)两端的压差。当恒流源方向为正时，U_t＝U_t+，U_Ri＝U_Ri+；当恒流源方向为负时，U_t＝U_t-，U_Ri＝U_Ri-。

本发明的使用方法如下：

1.将恒流源方向设置为正方向，其电流大小为I_S，切换电压采集模块的测量对象为铂电阻R_t，通过导线M_Rt、N_Rt测量铂电阻的电压U_t+，再将恒流源方向设置为负方向，其电流大小为-I_S，测量铂电阻的电压U_t-。

2.参照测量铂电阻R_t的方法，依次测量参考电阻R₁、R₂……R_n的电压，当恒流源方向为正时，参考电阻R_i(i＝1,2,…n)的电压为U_Ri+，当恒流源方向为负时，参考电阻R_i(i＝1,2,…n)的电压为U_Ri-。

3.计算得到当前的温度值t。

铂电阻R_t的阻值换算公式为：

R_t＝R_Pt0(1+Tt) (1)

其中R_Pt0为铂电阻在0℃时的电阻值，T为铂电阻的电阻温度系数，由生产厂商给出，为3850ppm/℃；

在使用本发明时，尽可能选用相近的导线及焊接方法，则导线电阻相对于铂电阻及参考电阻而言很小，统一记为r，导线上的温差热电势几乎相等，统一记为E。由于电压采集模块一般通过仪表放大器来采集铂电阻和参考电阻的电压，其输入阻抗约为10GΩ，则导线电阻r上损失的电压可忽略不计。设α为放大器增益漂移误差；A为放大器增益倍数；I_S为恒流源电流；ΔU为放大器输出失调电压。由于电路元件并非理想，温度测量系统中放大器、有源滤波器及模数转换器等对输入电压U的响应存在非线性的问题，且该非线性会受到电路元件温度T影响，因此引入非线性响应因子β(U,T)，得到方程组：

其中β(U_t+,T₀)、β(U_t-,T₀)、β(U_Ri+,T₀)、β(U_Ri-,T₀)分别为电路在T₀温度下对铂电阻正电压测量、铂电阻负电压测量、参考电阻R_i(i＝1,2,…n)正电压测量、参考电阻R_i(i＝1,2,…n)负电压测量的非线性响应因子。可推得：

在实际应用中，由于上式中[(1+α)AE+ΔU][β(U_t+,T₀)-β(U_t-,T₀)]及[(1+α)AE+ΔU][β(U_Ri+,T₀)-β(U_Ri-,T₀)]项的存在，使得恒流源的长短期漂移、放大器增益漂移、噪声及热电势等因素继续影响着测量结果的不确定度。从原理上分析可得，除非电压采集单元中的放大器、有源滤波器、模数转换器等器件的正负电压响应理想对称，否则这种电路结构仅能削弱上述因素对测温结果的影响，无法完全消除。

为探讨电路非线性对测温结果的影响，将公式(3)化简，忽略高阶项，可得：

令K为电路的非线性误差系数：

由于当R_t与R_i(i＝1,2,…n)的值接近时，电路的非线性响应因子也接近，从而β(U_t+,T₀)≈β(U_Ri+,T₀)、β(U_t-,T₀)≈β(U_Ri-,T₀)，得到铂电阻阻值计算公式：

但当铂电阻的阻值R_t偏离参考电阻的阻值R_i(i＝1,2,…n)时，式中的非线性误差系数K不为1，这便是电路的非线性对测温结果所造成的偏移。

因此，本发明重新设计了铂电阻阻值计算公式，使得在计算铂电阻阻值时，选用与铂电阻阻值相近的参考电阻作为测量参考，由此来削弱电路非线性所导致的性能劣化及测量结果的漂移。重设计的铂电阻阻值计算公式如下：

代入具体数值后，再应用公式(1)即可得到所测温度值。

本方法的有益效果在于削弱了恒流源长期漂移、温差电势以及电压测量中零点误差、灵敏度误差等引起的影响，削弱由于电子器件老化、环境温度变化所造成的电路非线性特性的改变，从而实现可应用于长距离、长测量时间、高分辨率、高准确度、环境温度变化较大场景的温度测量。

附图说明：

图1为多参考阻值比率测温结构示意图。

图2为长距离测量环境下的多参考阻值比率测温结构电路模型图。

具体实施方式：

根据说明书中所述的多参考阻值比率测温结构，该结构包括多个参考电阻R₁、R₂……R_n、一个铂电阻R_t、一个双向恒流源I_S和一个具有测量对象切换功能的电压采集单元。其特征在于：该测温结构由参考电阻R₁、R₂……R_n和一个铂电阻R_t串联组成，n≥2，串联结构的两端导线为A₁、A₂，A₁、A₂与双向恒流源I_S相连；铂电阻的两端再引出两根导线，分别为M_Rt、N_Rt；每个参考电阻的两端再引出两根导线，相应地分别为M_R1、N_R1、M_R2、N_R2……M_Rn、N_Rn；导线M_Rt和导线M_R1、M_R2……M_Rn与电压采集单元的正输入端口相连；导线N_Rt和导线N_R1、N_R2……N_Rn与电压采集单元的负输入端口相连；该电压采集单元具有可切换测量对象的能力。

参考阻值的数量及阻值设置、铂电阻R_t的阻值视实际测温范围需要而定，例如：设计采用PT1000类型的铂电阻，其阻值在0℃时为1000Ω；具有测量对象切换功能的电压采集单元的分辨精度约为0.001℃；双向恒流源电流大小为0.5mA；设计测温范围在-30℃～60℃；设计铂电阻与参考电阻阻值比率在0.9～1.1范围内。由于铂电阻R_t在-30℃时的阻值约为882.22Ω，在60℃时的阻值约为1232.42Ω，则可设置参考电阻的数量为4,R₁＝900Ω，R₂＝1000Ω，R₃＝1100Ω，R₄＝1200Ω，参考电阻选用七一八友晟电子有限公司的RJ711型号。在-30～60℃的测温范围内、在5～45℃的环境温度下，所搭建测温结构的总体测温性能要优于采用同样的恒流源、同样的电压采集单元、同样型号的铂电阻和同样型号的参考电阻所搭建的铂电阻—单一参考电阻比率测温结构，具体性能提升指标与恒流源性能、电压采集单元性能相关。

Claims (1)

1.一种基于多参考阻值比率测温结构的测温方法；所述的多参考阻值比率测温结构包括多个参考电阻R₁、R₂……R_n，n≥2，一个铂电阻R_t，一个双向恒流源I_S和一个具有测量对象切换功能的电压采集单元；测温结构由参考电阻R₁、R₂……R_n和一个铂电阻R_t串联组成，该串联结构的两端导线记为A₁、A₂，A₁、A₂连接到双向恒流源I_S上；铂电阻的两端再引出两根导线，分别记为M_Rt、N_Rt；每个参考电阻的两端再引出两根导线，分别记为M_R1、N_R1、M_R2、N_R2……M_Rn、N_Rn；将导线M_Rt和导线M_R1、M_R2……M_Rn接入电压采集单元的正输入端口中；将导线N_Rt和导线N_R1、N_R2……N_Rn接入电压采集单元的负输入端口中；该电压采集单元具有可切换测量对象的能力，可通过导线M_Rt、N_Rt对铂电阻两端电压进行测量，可通过导线M_Rn、N_Rn对参考电阻R_n两端电压进行测量；

其特征在于所述的测温方法如下：

首先，将恒流源方向设置为正方向，其电流大小为I_S，切换电压采集模块的测量对象为铂电阻R_t，通过导线M_Rt、N_Rt测量铂电阻的电压U_t+，再将恒流源方向设置为负方向，其电流大小为-I_S，测量铂电阻的电压U_t-；然后，参照测量铂电阻R_t的方法，依次测量参考电阻R₁、R₂……R_n的电压，当恒流源方向为正时，参考电阻R_i的电压为U_Ri+，i＝1,2,…n；当恒流源方向为负时，参考电阻R_i的电压为U_Ri-，i＝1,2,…n；最后，计算得到当前的温度值t；具体的测温方法如下：

将恒流源方向设置为正方向，其电流大小为I_S，切换电压采集模块的测量对象为铂电阻R_t，通过导线M_Rt、N_Rt测量铂电阻的电压U_t+，再将恒流源方向设置为负方向，其电流大小为-I_S，测量铂电阻的电压U_t-；

参照测量铂电阻R_t的方法，依次测量参考电阻R₁、R₂……R_n的电压，当恒流源方向为正时，参考电阻R_i的电压为U_Ri+，i＝1,2,…n，当恒流源方向为负时，参考电阻R_i的电压为U_Ri-，i＝1,2,…n；

铂电阻阻值计算公式如下：

铂电阻R_t的阻值换算公式为：

R_t＝R_Pt0(1+Tt) (2)

其中R_Pt0为铂电阻在0℃时的电阻值，T为铂电阻的电阻温度系数；代入公式(2)中即可得到所测温度值t。

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