CN211602213U - 一种铂电阻测温电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铂电阻测温电路，该电路具有消除寄生热电势的作用，该电路包括模数转换芯片、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、参考电路、待测电路、微控制器；所述待测电路包括铂电阻、第一电压跟随器、第二电压跟随器，所述第一电压跟随器与所述第二电压跟随器的一端分别连接在所述铂电阻的两端上，所述第一电压跟随器与所述第二电压跟随器另一端分别与所述模数转换芯片的两输入端相连接；所述参考电路包括参考电阻，所述参考电阻与所述铂电阻串联，所述参考电阻的两端分别与所述模数转换芯片的两参考输入端相连接，通过此测温电路，可以有效的消除寄生热电势对铂电阻测温电路的影响，从而提高测温的准确性。

Description

一种铂电阻测温电路

技术领域

本实用新型涉及温度测量领域，具体涉及到一种铂电阻测温电路。

背景技术

温度是国际单位制的基本物理量之一,温度检测在工业自动化和科学研究领域应用非常广泛,热电阻测温是基于金属导体的电阻阻值随温度的增加而增加的这一特性来进行温度测量的，热电阻大多数都是由纯金属材料制成，目前应用广泛的测温元件是铂；由于铂的特性稳定,不会因为高低温而引起物理或化学的变化,且测量范围大,可达到-250℃至850℃,测温精度高、示值复现性高等特点。铂电阻和环境温度之间的特性曲线是非线性关系，当测量温度在-250℃<t<0℃时,R_t＝R₀[1+At+Bt²+Ct³(t-100)]；当测量温度在0℃≤t≤850℃时,R_t＝R₀[1+At+Bt²]；式中A＝3.9083×10^-3；B＝-5.775×10^-7；C＝4.183×10^-12；根据此关系式可以由铂电阻的电阻阻值得到该阻值对应的温度值。因此利用铂电阻进行测温的电路在工业生产领域广泛应用，尤其是在精密测温领域。

在精密测温系统中，根据测量的环境不同，往往会使用不同材质的金属导体来满足测量的需求；在铂电阻测温电路中，不同材质的金属连接时必然会产生连接点，由于不同材质金属导体之间相互接触，不同金属电子密度不同，自由电子就会从密度大的金属导体向密度小的金属导体移动，当达到平衡状态时，不同材质的金属间就会形成一定的电位差，即接触电势；在实际测温时，铂电阻的两端的连接点，所受的温场不均匀时，会造成铂电电阻两端连接点的温度不同，自由电子密度大的高温会向自由电子密度小的低温端扩散，当达到新的平衡时，高低温端则形成一定电位差，即温差电势；接触电势和温差电势组成了测温电路中的寄生热电势；正是由于寄生热电势的影响，所以在铂电阻测温电路中所测得铂电阻的阻值往往和实际铂电阻阻值存在一定偏差，从而影响着测温电路的准确性。所以有必要提出一种测温电路，用于消除寄生热电势对测温电路的影响，提高铂电阻测温电路的准确性。

发明内容

针对铂电阻测温电路中寄生热电势影响测温准确性的问题，本实用新型提出了一种铂电阻测温电路，用于消除测温电路中寄生热电势，从而提高测温的准确性。

本实用新型的一种铂电阻测温电路，该电路具有消除寄生热电势的作用，其特征在于：该电路包括模数转换芯片、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、参考电路、待测电路；

所述的模数转换芯片设置有高精度恒流源输出的两端口、输入两端口、参考输入两端口，所述高精度恒流源两端口能够输出两路稳定高精度电流；

所述第一单刀双掷开关公共端与待测电路相连，其中一选择端连接在所述高精度恒流源输出的一端口、另一选择端接地；

所述第二单刀双掷开关公共端与参考电路相连，其中一选择端连接在所述高精度恒流源的输出的另一端口，另一选择端接地；

所述待测电路包括铂电阻、第一电压跟随器、第二电压跟随器，所述第一电压跟随器与所述第二电压跟随器的一端分别对应连接在所述铂电阻两端，所述第一电压跟随器与所述第二电压跟随器的另一端分别与所述模数转换芯片的两输入端对应连接；

所述参考电路包括参考电阻，所述参考电阻与所述的铂电阻相串联，所述参考电阻的两端分别与所述模数转换芯片的两参考输入端相连接。

优选的，在所述铂电阻与所述参考电阻之间还设置有继电器，所述继电器用于换接电路，控制不同的电路进行接通，所述继电器的公共端与所述参考电阻相连，两选择端与铂电阻相连。

优选的，当所述铂电阻为四线制铂电阻时，所述继电器的两个选择端仅使用一个，使当前电路处于通路状态；当所述铂电阻为三线制铂电阻时，所述继电器的两个选择端都会使用。

优选的，所述待测电路还包括滤波电路，所述滤波电路设置在所述第一电压跟随器、第二电压跟随器与所述模数转换芯片两输入端之间。

优选的，所述参考电路还包括滤波电路，所述滤波电路设置在所述参考电阻与所述模数转换芯片两参考输入端之间。

优选的，所述的滤波电路采用一阶RC低通滤波电路。

优选的，还包括微控制器，连接在所述模数转换芯片上，用于对整个测温电路进行控制。

一种铂电阻测温电路的方法，其特征在于：

S1：模数转换芯片不输出电流时，读取模数转换芯片的电压包括第一电压跟随器失调电压、铂电阻两端的寄生热电势、第二电压跟随器失调电压；

S2：将所述模数转换芯片的输入端正负对调，读取模数转换芯片输出的电压包括第一电压跟随器失调电压、铂电阻两端的寄生热电势、第二电压跟随器失调电压。

S3：所述模数转换芯片一端输出电流时，第一单刀双掷开关选择恒流源输出端，第二单刀双掷开关选择接地端，读取模数转换芯片的电压包括第一电压跟随器失调电压、铂电阻两端的寄生热电势、铂电阻两端电压、第二电压跟随器失调电压。

S4：所述模数转化芯片另一端输出电流时，第一单刀双掷开关选择接地端、第二单刀双掷开关选择恒流源输出端，读取模数转换芯片的电压包括第一电压跟随器失调电压、铂电阻两端的寄生热电势、铂电阻两端电压、第二电压跟随器失调电压。

通过步骤S1与步骤S2得铂电阻两端的寄生热电势，再通过步骤S3与步骤S4，得铂电阻两端电压。

优选的，当所述铂电阻为三线制铂电阻时：在完成进行S1～S4步骤后，得到铂电阻两端寄生热电势，还需要进行步骤S5、S6：

S5：模数转换芯片一端口输出电流，第一单刀双掷开关选择恒流源端，第二单刀双掷开关选择地端，参考电阻与铂电阻电压低端相连，读取模数转换芯片的电压包括第一电压跟随器失调电压、铂电阻两端的寄生热电势、铂电阻两端电压、第二电压跟随器失调电压、铂电阻两端的引线电压。

S6：模数转换芯片另一端口输出电流、第一单刀双掷开关选择地端、第二单刀双掷开关恒流源端，参考电阻与铂电阻电压低端相连，读取模数转换芯片的电压包括第一电压跟随器失调电压、铂电阻两端的寄生热电势、铂电阻两端电压、第二电压跟随器失调电压、铂电阻两端的引线电压。

通过S1～S6求得三线制铂电阻一端引线电压，最终求得三线制铂电阻两端的电压。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型通过控制模数转换芯片内部恒流源电流的是否输出、利用第一单刀双掷开关及第二单刀双掷开关控制电流的方向，读取模数转化芯片的测量结果；建立铂电阻两端电压与模数转化芯片读数之间的函数关系，求出影响测温电路精度的寄生热电势，进而得出铂电阻真实的电阻值，通过本实用新型测得铂电阻的阻值更加准确，进而提高了测温电路的准确性。

2.本实用新型铂电阻可采用四线制铂电阻或三线制铂电阻，可以消除铂电阻两端引线电压对铂电阻阻值的影响，提高了测温电路的准确性。

附图说明

图1四线制铂电阻测温电路框图；

图2三线制铂电阻测温电路框图；

图3四线制铂电阻测温电路原理示意图；

图4三线制铂电阻测温电路原理示意图；

图中：1：模数转换芯片；2：第一单刀双掷开关(single pole dual trough，SPDT)；3：铂电阻；4：第一电压跟随器；5：第二电压跟随器；6：继电器；7：参考电阻；8：第二单刀双掷开关；9：微控制器

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述，但这些实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。

如图1和图2所示的一种程铂电阻测温电路，该电路包括模数转换芯片1、第一单刀双掷开关2、第二单刀双掷开关8、参考电路、待测电路；

模数转换芯片1设置有高精度恒流源输出的两端口、输入两端口、参考输入两端口，所述高精度恒流源两端口能够输出两路稳定高精度电流。

待测电路包括铂电阻3、第一电压跟随器4、第二电压跟随器5，第一电压跟随器4与第二电压跟随器5的一端分别连接在铂电阻3两端，第一电压跟随器4与第二电压跟随器5的另一端分别与模数转换芯片的两输入端相连接；第一电压跟随器4与第二电压跟随器5的作用是阻抗匹配，利用电压跟随器的输入高阻抗，输出低阻抗的特性，实现输入与输出阻抗匹配。

有一优选方案，在第一电压跟随器4与第二电压跟随器5与模数转换芯片1之间还设有滤波电路，对电路中的模拟信号进行处理，使某一部分频率的信号顺利通过，而另一部分的频率的信号被急剧衰减；更优选的方案，该滤波电路采用一阶RC低通滤波电路。

第一单刀双掷开关2的公共端与铂电阻相连，其中一选择端与模数转换芯片1的高精度恒流源输出端口相连，另一选择端接地。

参考电路包括参考电阻7，参考电阻7与铂电阻3是串联在一起，参考电阻7的两端分别连接在模数转换芯片1的两参考输入端，为模数转换芯片1提供参考电压信号。

有一优选方案，参考电阻7与铂电阻3之间还设置有继电器6，继电器6公共端与参考电阻7相连接，两选择端与铂电阻3相连接，继电器用于换接电路，控制不同的电路进行接通；当铂电阻为四线制铂电阻时，继电器6的选择端与铂电阻3的电流低端相连接；当铂电阻3为三线制铂电阻时，继电器6可以与铂电阻的电流低端连接，也可以与铂电阻的电压低端相连接。

有一优选方案，参考电阻7与模数转换芯片1之间还设有滤波电路，对电路中的模拟信号进行处理，使某一部分频率的信号顺利通过，而另一部分的频率的信号被急剧衰减；更优选的方案，该滤波电路采用一阶RC低通滤波电路。

第二单刀双掷开关8公共端与参考电阻7相连，其中一选择端与模数转换芯片1的高精度恒流源输出端口相连，另一选择端接地；

优选方案，测温电路还包括微控制器9，微控制器9与模数转换芯片1连接，用于对整个电路进行控制。

有一具体的实例，如图3和图4所示，所述模数转换芯片1采用TI公司的ADS1248，该芯片具有四路差分输入和两路差分参考输入、两路内部精密恒流源输出,两路精密电流源均可输出稳定电流，可以是0.5mA、1mA、2mA，具有24位测量精度，通过串行外设接口与微处理器9通讯，数电部分与模电部分隔离供电。微控制器9采用ST公司STM32F103RCT6芯片，该芯片具有256KB的Flash和48KB的RAM，51个通用I/O口。

第一单刀双掷开关2与第二单刀双掷开关8采用TI公司的TS5A3154DCUR，继电器6的具体型号为TX2-L2-5V，该继电器的两个控制端都用NPN型三极管S8050驱动，第一电压跟随器4与第二电压跟随器5均采用OPA188。参考电阻7采用RJ711的150Ω精密金属箔电阻，其温度系数为0.05ppm。铂电阻3采用PT100。

如图3所示，铂电阻为四线制铂电阻，第一单刀双掷开关的公共端与铂电阻R3的电流高端(文中提到的电压高端、低端以及电流高端、低端是相对于高精度恒流源输出端口IEXC1输出电流时所讲)相连接，第一单刀双掷开关有两个选择端，其中一个选择端与模数转换芯片ADS1248的高精度恒流源输出端口IEXC1连接，另一选择端与地连接；第一电压跟随器的输入端与铂电阻R3的电压高端相连接，第二电压跟随器的输入端与铂电阻R3电压低端相连接，第一电压跟随器与第二电压跟随器的输出端通过滤波电路分别连接在模数转换芯片ADS1248的输入正、负两端，铂电阻R3电流低端与电压低端分别连接在继电器的两个选择端，继电器的公共端与参考电阻R12电流高端相连，参考电阻R12的电流低端与第二单刀双掷开关的公共端相连接，第二单刀双掷开关的两选择端，其中一选择端与模数转换芯片的高精度恒流源的另一输出端IEXC2相连接，另外一选择端与地相连接；参考电阻R12的电压高端与电压低端通过滤波电路分别连接在模数转换芯片ADS1248参考输入正、负两端。模数转换芯片ADS1248通过数字总线与微控制器STM32F103RCT6相连接。

当模数转换芯片ADS1248的高精度恒流源输出端口IEXC1输出电流时，第一单刀双掷开关选择端与高精度恒流源输出端口IEXC1连接，第二单刀双掷开关的选择端与地连接，继电器选择与铂电阻R3电流低端“2”相连接，此时，铂电阻R3电流高端“4”、铂电阻R3、铂电阻R3电流低端“2”有电流经过；而铂电阻R3电压高端“3”与铂电阻R3电压低端“1”没有电流通过，仅为模数转换芯片传送电压信号，模数转换芯片输出的电压包括第一电压跟随器的失调电压、铂电阻两端寄生热电势、第二电压跟随器的失调电压、铂电阻两端电压；

当模数转换芯片ADS1248的高精度恒流源输出另一端口IEXC2输出电流时，第二单刀双掷开关选择端与高精度恒流源输出端口IEXC2连接，第一单刀双掷开关的选择端与地连接，继电器选择与铂电阻R3电流低端“2”相连接，同样，铂电阻R3两电流端有电流通过，而铂电阻R3两电压端没有电流通过；此时，模数转换芯片输出的电压包括第一电压跟随器的失调电压、铂电阻两端寄生热电势、第二电压跟随器的失调电压、铂电阻两端电压。

如图4所示，铂电阻为三线制铂电阻，第一单刀双掷开关2的公共端与铂电阻R2高端“3”相连接，第一单刀双掷开关2有两个选择端，其中一个选择端与模数转换芯片ADS1248的高精度恒流源输出端口IEXC1连接，另一选择端与地连接；第一电压跟随器的输入端与铂电阻R2高端“3”相连接，第二电压跟随器的输入端与铂电阻R2低端电压端“1”相连接，第一电压跟随器与第二电压跟随器输出端通过滤波电路分别连接在模数转换芯片ADS1248的输入正、负端，铂电阻R2电流低端“2”与电压低端“1”分别连接在继电器的两个选择端，继电器的公共端与参考电阻R11电流高端“4”相连，参考电阻R11的电流低端“2”与第二单刀双掷开关的公共端相连接，第二单刀双掷开关的两选择端，其中一选择端与模数转换芯片的高精度恒流源的另一输出端IEXC2相连接，另外一选择端与地相连接；参考电阻R11的电压高端“3”与电压低端“1”通过滤波电路分别连接在模数转换芯片ADS1248参考输入正负两端。模数转换芯片ADS1248通过数字总线与微控制器STM32F103RCT6相连接。

当模数转换芯片ADS1248的高精度恒流源输出端口IEXC1输出电流时，第一单刀双掷开关选择与高精度恒流源输出端口IEXC1连接，第二单刀双掷开关选择与地连接，继电器与铂电阻R2电流低端“2”相连接，此时，铂电阻R2高端“3”、铂电阻R2电流低端“2”有电流通过，而同时铂电阻R2高端“3”与铂电阻R2电压低端“1”为模数转换芯片提供电压信号，模数转换芯片输出的电压包括铂电阻高端引线电压、第一电压跟随器的失调电压、铂电阻两端寄生热电势、第二电压跟随器的失调电压、铂电阻两端电压；

当模数转换芯片ADS1248的高精度恒流源输出另一端口IEXC2输出电流时，第二单刀双掷开关选择与高精度恒流源输出端口IEXC2连接，第一单刀双掷开关选择与地连接，继电器与铂电阻R2电流低端“2”相连接，此时，模数转换芯片输出的电压包括铂电阻高端引线电压、第一电压跟随器的失调电压、铂电阻两端寄生热电势、第二电压跟随器的失调电压、铂电阻两端电压；

当模数转换芯片ADS1248的高精度恒流源输出端口IEXC1输出电流时，第一单刀双掷开关选择与高精度恒流源输出端口IEXC1连接，第二单刀双掷开关选择与地连接，继电器与铂电阻R2电压低端“1”相连接，此时，铂电阻R2高端“3”与铂电阻R2的电压低端“1”有电流通过，同时为模数转换芯片提供电压信号，模数转换芯片输出的电压包括铂电阻高端引线电压、第一电压跟随器的失调电压、铂电阻两端寄生热电势、第二电压跟随器的失调电压、铂电阻两端电压、铂电阻低端引线电压；

当模数转换芯片ADS1248的高精度恒流源输出另一端口IEXC2输出电流时，第二单刀双掷开关选择与高精度恒流源输出端口IEXC2连接，第一单刀双掷开关选择与地连接，继电器选择与铂电阻R2电压低端“1”相连接，此时，模数转换芯片输出的电压包括铂电阻高端引线电压、第一电压跟随器的失调电压、铂电阻两端寄生热电势、第二电压跟随器的失调电压、铂电阻两端电压、铂电阻低端引线电压；

如图3所示，当铂电阻为四线制时，铂电阻测温电路的方法：

S1：模数转换芯片内置的高精度恒流源输出端IEXC1不输出电流时，此时模数转换芯片的测量结果为D₀，

D₀＝V_offset2+V_EMF-V_offset1 (1)

其中：V_offset1为第一电压跟随器的失调电压，V_EMF为铂电阻寄生热电势，V_offset2为第二电压跟随器的失调电压；

S2：将所述模数转换芯片的输入端正负对调，此时模数转换芯片的测量结果为D′₀，D′₀＝V_offset1+V_EMF-V_offset2， (2)

由式(1)与式(2)可得：V_EMF＝(D₀+D′₀)/2 (3)

S3：模数转换芯片内置的高精度恒流源输出端IEXC1输出电流时，第一单刀双掷开关选择恒流源IEXC1输出端，第二单刀双掷开关选择端接地，继电器选择与铂电阻电流低端相连，此时模数转换芯片的测量结果为D₁，

D₁＝V_offset2+V_PT+V_EMF-V_offset1； (4)

S4：模数转换芯片内置的高精度恒流源输出端IEXC2输出电流时，第一单刀双掷开关选择地端、第二单刀双掷开关选择高精度恒流源IEXC2输出端，继电器选择与铂电阻电流低端相连，此时模数转换芯片的测量结果为D′₁，

D′₁＝V_offset1+V_PT+V_EMF-V_offset2， (5)

由式(3)式、(4)、式(5)可得四线制铂电阻两端电压V_PT为：

V_PT＝(D₁+D′₁-D₀-D′₀)/2 (6)

如图4所示，铂电阻为三线制铂电阻时：在完成进行S1～S4步骤后，得到D₁、D′₁，D₁＝V_offset2+V_PT+V_L+V_EMF-V_offset1 (7)

D′₁＝V_offset1+V_PT+V_L+V_EMF-V_offset2 (8)

式(7)与式(8)中，V_L为高端引线电压；

还需要进行步骤S5、S6：

S5：模数转换芯片内置的高精度恒流源输出端IEXC1输出电流时，第一单刀双掷开关选择高精度恒流源输出端IEXC1，第二单刀双掷开关选择地端，继电器选择与铂电阻电压低端相连，此时，模数转换芯片测得的结果为D₂；

D₂＝V_offset2+V_PT+2V_L+V_EMF-V_offset1 (9)

S6：模数转换芯片内置的高精度恒流源输出端IEXC2输出电流时，第一单刀双掷开关选择地端、第二单刀双掷开关选择高精度恒流源输出端IEXC2，继电器的选择端与铂电阻电压低端相连，此时模数转换芯片的测量结果为D′₂，

D′₂＝V_offset1+V_PT+2V_L+V_EMF-V_offset2， (10)

则，由式(3)、式(7)、式(8)、式(9)、式(10)可得三线制铂电阻两端电压V_PT。

本实用新型通过控制模数转换芯片内部恒流源电流的是否输出、利用第一单刀双掷开关及第二单刀双掷开关控制电流的方向，读取模数转化芯片的测量结果；建立铂电阻两端电压与模数转化芯片读数之间的函数关系，求出影响测温电路精度的寄生热电势，进而得出铂电阻真实的电阻值，通过本实用新型测得铂电阻的阻值更加准确，进而提高了测温电路的准确性。

尽管为示例目的，已经公开了本实用新型的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本实用新型的范围和精神前提下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (7)

1.一种铂电阻测温电路，该电路具有消除寄生热电势的作用，其特征在于：该电路包括模数转换芯片、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、参考电路、待测电路；

所述的模数转换芯片设置有高精度恒流源输出的两端口、输入两端口、参考输入两端口，所述高精度恒流源两端口能够输出两路稳定高精度电流；

所述第一单刀双掷开关公共端与待测电路相连，其中一选择端连接在所述高精度恒流源输出的一端口、另一选择端接地；

所述第二单刀双掷开关公共端与参考电路相连，其中一选择端连接在所述高精度恒流源输出的另一端口，另一选择端接地；

所述待测电路包括铂电阻、第一电压跟随器、第二电压跟随器，所述第一电压跟随器与所述第二电压跟随器的一端分别对应连接在所述铂电阻两端，所述第一电压跟随器与所述第二电压跟随器的另一端分别与所述模数转换芯片的两输入端对应连接；

所述参考电路包括参考电阻，所述参考电阻与所述的铂电阻相串联，所述参考电阻的两端分别与所述模数转换芯片的两参考输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种铂电阻测温电路，其特征在于：在所述铂电阻与所述参考电阻之间还设置有继电器，所述继电器用于换接电路，控制不同的电路进行接通，所述继电器的公共端与所述参考电阻相连，两选择端与铂电阻相连。

3.根据权利要求2所述的一种铂电阻测温电路，其特征在于：当所述铂电阻为四线制铂电阻时，所述继电器的两个选择端仅使用一个，使当前电路处于通路状态；当所述铂电阻为三线制铂电阻时，所述继电器的两个选择端都会使用。

4.根据权利要求1所述的一种铂电阻测温电路，其特征在于：所述待测电路还包括滤波电路，所述滤波电路设置在所述第一电压跟随器、第二电压跟随器与所述模数转换芯片的两输入端之间。

5.根据权利要求1所述的一种铂电阻测温电路，其特征在于：所述参考电路还包括滤波电路，所述滤波电路设置在所述参考电阻与所述模数转换芯片两参考输入端之间。

6.根据权利要求4或5所述的一种铂电阻测温电路，其特征在于：所述的滤波电路采用一阶RC低通滤波电路。

7.根据权利要求1所述的一种铂电阻测温电路，其特征在于：还包括对整个测温电路进行控制的微控制器，所述微控制器连接在所述模数转换芯片上。

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