CN1888838A - 一种组合式温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式温度传感器的设计方法，它由保护套管、铂电阻、热敏电阻、连接线、测量电路、微处理器组成。组合式温度传感器在工作时同时采样铂电阻和热敏电阻的测量结果。在稳态过程用性能稳定、线性好的铂电阻对热敏电阻进行标定，解决了热敏电阻的离散性和复现性差的缺点；当环境温度变化剧烈时，利用热敏电阻反应迅速、灵敏度高的特点克服铂电阻时间常数大的缺点。该传感器兼有铂电阻和热敏电阻传感器的特性，是一种性能稳定、反应迅速的温度传感器，特别适用于时间常数小、精度要求高的温度控制系统。

Description

一种组合式温度传感器

技术领域

本发明涉及一种温度传感器，更具体的说，它是一种它是利用铂电阻和热敏电阻同时测温，利用微处理器对它们的结果进行组合而成的组合式传感器。

背景技术

温度传感器是温度测量仪表的核心部件，是温度控制系统的重要环节，在生产和生活中都有广泛应用，长期以来一直是人们研究和开发的热点。常用的热电阻温度敏感材料有铂、铜、镍、半导体等，它们的特性有很大不同。铂、铜、镍属于金属电阻，这些材料本身性质稳定，生产工艺也成熟，具有很好的复现性和互换性，但是金属材料的热容量较大，造成它们的响应时间较大，虽然在使用中做了许多补偿，但仍然不能满足要求。半导体材料近年来有了长足进步，它的主要优点是反应快速、灵敏度高，刚好可以弥补金属电阻材料的不足，但它的缺点也同样突出：温阻特性非线性严重，重复性和互换性差，半导体材料的这些缺点限制了它在精密温度测量中的应用。事实上，现有的温度敏感材料很难同时具有良好的静态特性和动态性能，这在很大程度上制约了温度测量技术的进一步发展。

发明内容

本发明的目的，就是要利用两种或两种以上对温度测量呈现出不同优势的敏感材料，设计出一种兼有两者优势的较理想的传感器。

组合式温度传感器就是对铂电阻和热敏电阻材料进行的组合。测量过程中，用稳定的铂电阻对不稳定的热敏电阻进行标定，可以克服热敏电阻的重复性和互换性差的缺点，而当环境温度有较大波动时，由于温度传感器本身可视为一阶惯性环节，此时动态误差成为传感器测量不准确的主要来源，用快速、灵敏的热敏电阻去克服铂电阻时间常数大的缺点。如果这种组合式温度传感器可以实现，我们就能得到一种性能优良的温度传感器，它既有类似于铂电阻的稳定性和线性，又有类似于热敏电阻的快速响应特性。

由于组合式温度传感器既有铂电阻稳定、线性好的优点，又有热敏电阻快速、灵敏的特点，因此它广泛应用于时间常数小、精度要求高的温度测量和控制场合。另外，组合式温度传感器在工作过程中，利用铂电阻标定热敏电阻，实现了工作过程的自校正，所采用算法简单，是一种结构简单、性能优良的温度传感器。

本发明的内容、特征及优点将结合实施例，参考附图作进一步的说明。

附图说明

图1是组装式组合温度传感器的结构示意图

图2是铂电阻测量电路原理图

图3是热敏电阻测量电路原理图

图4是传感器工作流程图

具体实施方式

参照图1，一种组合式温度传感器由传感和变送两部分组成。其中，传感部分由铂电阻1、热敏电阻2、夹持件3、保护套管4以及导线5组成。铂电阻测量电路由不平衡电桥6构成，热敏电阻测量电路由分压式测量电路7构成，它们的输出进入微处理器8，得到模拟量或数字量的输出。组合式温度传感器的结构并不拘泥于图1所示的结构。

参照图2，铂电阻测量电路采用不平衡电桥，它还包括一个差动放大电路。合理调整电位器RP1，调整测量电路的零点。合理调整RP2，调整放大电路的输出为1～5V标准电压信号。参考图4，热敏电阻需要一个可变量程的测量电路，改变A/D转换器的参考电压并调节RP1即可得到一个可变量程的电压信号。

在传感器生产出厂前，应首先根据热敏电阻和铂电阻的分度表建立标定点序列

           C_Pt＝{R_Pt(0℃)，R_Pt(0.1℃)，…，R_Pt(Ti)＝R_Pt(0.1*i℃)}      (1)

       C_NTC＝{R_NTC(0℃)，R_NTC(0.1℃)，…，R_NTC(Ti)＝R_NTC(0.1*i℃)}     (2)

标定点如表1所示，并存储于MCU的ROM区中。标定点定义为传感器工作时的稳态过程，由铂电阻的时间常数确定。当热敏电阻的阻值变化大于某一数值R₀(对应0.1℃温度变化或更大)所用时间t₀大于铂电阻的时间常数时，即认为组合传感器此时进入稳态过程，可以将此温度值作为组合传感器的一个标定点。

t₀最小可取为铂电阻的时间常数，它用于判断组合式传感器是否进入稳定状态。R₀决定组合式传感器的分辨能力，若要求组合式温度传感器的分辨能力为0.1℃则取R₀为温度变化0.1℃时热敏电阻的阻值变化。

        表1  组合式温度传感器的标定点

温度CT(i)(℃)	铂电阻值CPT(i)(Ω)	热敏电阻值CNTC(i)(Ω)
			……	……	……
70.0	127.07	2240
			70.1	127.11	2234
70.2	127.15	2227
			……	……	……

组合式传感器的工作过程分静态时的标定和动态时的测量两部分。每次初次使用时，首先需要确定组合传感器的标定点。传感器初次工作时，MCU在第一个采样周期由A/D采样热敏电阻值R_NTC，并从MCU的ROM区查询标定点列表，计算|CNTC_(i)-R|的最小值，取为刚开始工作时的标定点(CT_(K)，CPT_(K)，CNTC_(K))。组合式温度传感器的工作总是从一个标定点开始的。

MCU从第二个采样周期开始，由A/D不断采样热敏电阻阻值R_NTC并进行计时t，并计算其阻值与标定点(上次采样时)的变化ΔR。若ΔR＞R₀时，t＞t₀(铂电阻的时间常数)，则认为此时环境温度变化缓慢，组合式传感器进入标定状态。MCU采样铂电阻C_Pt，根据式2-4算出此时的温度C_T，连同热敏电阻阻值C_NTC一起，作为一个新的标定点(C_T，C_Pt，C_NTC)更新表1，并将标定结果作为组合式传感器的输出。从标定过程我们可以看到，标定过程实际上也实现了标定点的在线校正，同时标定过程也是测量的过程。

                     表2  更新的标定点

温度CT(i)(℃)	铂电阻值CPT(i)(Ω)	热敏电阻值CNTC(i)(Ω)
			70.2	127.15	2226

由于半导体材料本身和生产工艺的原因，热敏电阻的特性具有离散性，不同生产厂家的热敏电阻具有不同的温度系数和动态性能，同一批热敏电阻之间也可能有差异，使热敏电阻的互换性很差，限制了它在精密测温中的应用。另外，由于半导体材料本身的不稳定，使热敏电阻的复现性差，大大影响了热敏电阻的测量精度。由组合式传感器的标定过程我们可以看到，在每一个标定点铂电阻都对热敏电阻进行一次标定，并且这种标定是在测量过程中实时、自动完成的，这就解决了热敏电阻的互换性和复现性差的问题。

若ΔR＞R₀时，t＜t₀，则认为此时环境温度有较大波动，此时的测量误差主要为动态跟踪误差，由于热敏电阻较铂电阻具有更好的动态性能，此时组合式传感器的测量结果应主要参考热敏电阻。首先根据采样来的铂电阻阻值R_NTC在表1中查找，得到CNTC(i)≤R_NTC＜CNTC(i+1)。然后利用测得的热敏电阻值R_NTC进行线性插值，得到：

${\mathrm{\ΔT}}_i=0.1*\frac{{\mathrm{CNTC}}_{\left(i\right)}-R_{\mathrm{NTC}}}{{\mathrm{CNTC}}_{\left(i\right)}-{\mathrm{CNTC}}_{(i+1)}}---(2-11)$

则组合传感器的输出为T(t)＝T_i+ΔT_i。在0.1℃的范围内，线性插值的结果可以具有很小的非线性误差，比起多项式拟合等其它方法，算法简单，易于在微处理器中实现。在测量过程中，这种动态过程总是从一个标定点开始到另一个标定点结束。

以上动态过程以WZP-035铂电阻和DT103FF热敏电阻为例，若在进行温度检测时，测得热敏电阻阻值为2236Ω。查表1可知CNTC(70.0℃)＝2240＞2236＞CNTC(70.1℃)＝2234，得到T_i＝70.0℃。又在热敏电阻表中得到R_NTC(70.0℃)＝2240Ω，R_NTC(70.1℃)＝2233Ω，计算

${\mathrm{\ΔT}}_i=0.1*\frac{R_{\mathrm{NTC}}\left(i\right)-R_{\mathrm{NTC}}}{R_{\mathrm{NTC}}\left(i\right)-R_{\mathrm{NTC}}(i+1)}$

$=0.1*\frac{2240-2236}{2240-2233}---(2-12)$

$=0.0571$

得到组合传感器的输出

在应用中，因为已经将电阻的变化转变为电压输出，因此需将以上公式中的电阻值转变为对应的电压值，得到：

        U_CPt＝{U_Pt(0℃)，U_Pt(0.1℃)，…，U_Pt(Ti)＝U_Pt(0.1*i℃)}       (2-13)

    U_CNTC＝{U_NTC(0℃)，U_NTC(0.1℃)，…，U_NTC(Ti)＝U_NTC(0.1*i℃)}      (2-14)

A/D采样器不断采集铂电阻和热敏电阻测量电路的电压变化U_Pt和U_NTC并进行计时。若为静态过程则标定热敏电阻，若为动态过程则首先在U_CNTC中查找，得到U_CNTC(i)≤U_NTC(t)＜U_CNTC(i+1)，同时计算

${\mathrm{\ΔT}}_i=0.1*\frac{U_{\mathrm{CNTC}\left(i\right)}-U_{\mathrm{NTC}}}{U_{\mathrm{CNTC}\left(i\right)}-U_{\mathrm{CNTC}(i+1)}}---(2-15)$

则最终组合式传感器输出温度值T(t)＝T_i+ΔT_i。

Claims (3)

1.一种组合式温度传感器，其特征在于传感器的工作方法，即微处理器对采样铂电阻和热敏电阻的测量输出所做的算法，其算法包含以下步骤：

(1)微处理器采样热敏电阻、铂电阻测量电路输出R_PT、R_NTC，同时启动定时器T，开始计时；

(2)计算热敏电阻增量ΔR_NTC；

(3)若|ΔR_NTC|＞R₀，则清零定时器T，并输出半导体电阻对应温度值，然后返回步骤(1)；

(4)若|ΔR_NTC|＜R₀，并且T＜t₀，则返回步骤(1)；

(5)|ΔR_NTC|＜R₀，并且T)t₀，则用铂电阻标定热敏电阻，并输出此时温度值，然后返回步骤(1)；

2.根据权利要求1所述的组合式温度传感器，其特征在于铂电阻和热敏电阻同时进行测温，它们的输出送入微处理器，得到一个新的输出。

3.根据权利要求1所述的组合式温度传感器，由保护套管、铂电阻、热敏电阻、连接线、测量电路、微处理器组成，其特征是同时使用了两种不同特性的测温材料---铂电阻和热敏电阻组成。

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