一種基于鉑電阻的寬量程高精度溫度測量儀及其測量方法與流程

本發明涉及溫度測量儀的結構設計和應用技術領域，特別提供了一種基于鉑電阻的寬量程高精度溫度測量儀及其測量方法。

背景技術：

溫度測量為人們了解溫度、應用溫度提供了依據，在實際生產生活中有著廣泛的應用，其應用范圍從日常生活到科學研究。高精度溫度測量技術是提高對周圍環境溫度的控制的關鍵，這就使得高精度溫度測量技術成為工業發展中不可忽略的因素。因而設計出一種精度高、測溫范圍廣的高精度溫度測量儀是非常必要的，這將大大的促進我們社會的發展，給人們的生產生活帶來極大的便利。

人們迫切希望獲得一種技術效果優良的高精度溫度測量儀。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基于鉑電阻的寬量程高精度溫度測量儀及其測量方法。

所述基于鉑電阻的寬量程高精度溫度測量儀及其測量方法構成如下：電源電路1、恒流源驅動電路2、溫度傳感器3、信號處理電路4、A/D轉換電路5、單片機6、顯示器7、儲存器8、按鍵模塊9、復位電路10、晶振電路11、溫度校準模塊12、數據信號處理模塊13；其中，電源電路1與恒流源驅動電路2、A/D轉換電路5和單片機6構成電連接，恒流源驅動電路2和信號處理電路4構成電連接，所述信號處理電路4包括連接溫度傳感器3的四根引線的等效電阻，分別為第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻，其中，第一電阻、恒流源驅動電路2、第二電阻和溫度傳感器3通過導線依次串聯構成回路，第三電阻的一端通過導線連接于第一電阻和溫度傳感器3之間，第三電阻的另一端連接A/D轉換電路5的A/D采樣補償線，第四電阻的一端通過導線連接于第二電阻和溫度傳感器3之間，第四電阻的另一端連接對地補償線，信號處理電路4通過A/D轉換電路5與單片機6相連，顯示器7、儲存器8、按鍵模塊9、復位電路10和晶振電路11分別與單片機6相連接，按鍵模塊9通過溫度校準模塊12與數據信號處理模塊13相連，數據信號處理模塊13與單片機6相連。

所述溫度傳感器3采用PT100鉑電阻傳感器，所述恒流源驅動電路2連接溫度穩定系數高的高精密電阻，此高精密電阻的溫度變化系數是1ppm,即溫度變化1℃，其阻值變化為10⁶Ω，所述恒流源驅動電路2輸出的電流不能大于4mA。

所述A/D轉換電路5采用24位的LTC2492模數轉換器，其精度可達V_REF/2²⁴。

所述測量方法根據鉑電阻所置環境溫度變化與電阻阻值接近線性的關系，將測溫范圍分成若干段，其中每一段是線性的，PT100的分辨率可達1mK，信號處理電路4采用了改進的四線制接法，同時采集鉑電阻電壓和參考電壓，并用恒流源為電路提供一個穩定的、持續的電流，消除由于接入引線電阻的誤差以及鉑電阻激勵電流引起的溫漂對溫度測量的影響。數據處理采用函數逼近算法和溫度校正算法，將每一段溫度選取兩點進行校正，因此理論計算精度可達0.001℃。

所述A/D轉換電路5采用24位的LTC2492模數轉換器，其精度可達V_REF/2²⁴，V_REF約等于1.1V，利用公式R_t＝R₀(1+At+Bt²+C(t-100)t³)和公式R_t＝(1+At+Bt²)采用數值逼近算法求解。

當鉑電阻被放置的環境溫度在-200℃～800℃之間變化時，其所置環境溫度變化與電阻阻值接近線性的關系。國標規定PT鉑電阻在0℃時，其電阻值R₀＝100Ω，其特性曲線如圖1所示。

鉑電阻主要有電阻和允許兩種誤差。其中A允許誤差等于±(0.15+0.002t),B允許誤差等于±(0.30+0.005t),式中t表示溫度值。

當-200℃≤t≤0℃時，鉑電阻的阻值與溫度變化的函數表達式為：

R_t＝R₀(1+At+Bt²+C(t-100)t³) (1)

當0℃≤t≤850℃時，鉑電阻的阻值與溫度變化的函數表達式為：

R_t＝(1+At+Bt²) (2)

式中，R_t表示t℃時鉑電阻的電阻值，R₀表示0℃時鉑電阻的電阻值，本文設計過程中選用的電阻是Pt，標準Pt的R₀等于歐姆。A、B、C的值分別為：A＝3.9082×10^-3,B＝-5.80195×10^-7,C＝-4.2735×10^-12。

根據上述原理利用數值逼近算法，取一個數組存有如下數據，程序中設數組為T(K)，該數組中共有24個數據，數據如下：

8388.608,4194.304,2097.152,1048.576,0524.288,0262.144,0131.072,0065.536,0032.768,0016.384,0008.192,0004.096,0002.048,0001.024,0000.512,0000.256,0000.128,0000.064,0000.032,0000.016,0000.008,0000.004,0000.002,0000.001。

程序采用循環累加方式，當K＝1時，將8388.608帶入到式(2)中，計算出電阻值，將該值R_T與實際測量的鉑電阻阻值R_PT100進行比較，如果比實際測量電阻值大，即R_T＞R_PT100，則，此數據不進行累加，如果比實際測量電阻值小，即，R_T＜R_PT100，則，此數據進行累加。一次循環24次，最終將符合上述條件的T(K)值相加，得到鉑電阻溫度的計算值。

所述信號處理電路4采用的是改進后的四線制接線法，為保證測量的精度和穩定度。圖5中X₁、X₂、X₃、X₄分別是鉑電阻傳感器的四根引線的等效電阻。以R₄電阻的電壓值做為基準電壓在本設計中R₄取值是510Ω，基準參考電壓、恒流源的設計嚴重影響著電路的的測量精度和穩定度。基準參考電壓V_REF是否穩定且低溫漂是保證本文中高精度測溫儀具有高精度的重要前提。以三極管8550構成的鏡像電流源來減小外界干擾，避免誤差。在此基礎上串聯高精密電阻R₀，此高精密電阻的溫度變化系數是1ppm,即溫度變化1℃，其阻值變化為10^-6Ω，本設計中R₀取值是Ω。根據電子線路理論，鉑電阻PT傳感器的電流I為：

基準參考電壓V_REF為：

V_Ref＝I×R₄ (4)

PT傳感器的電壓和精密電阻R₀的電壓分別為：

V_PT100＝I×R_PT100 (5)

V_R0＝I×R₀ (6)

最終采取獲得PT傳感器的電壓和精密電阻R₀的電壓二者電壓的比值，即

從而，消除了恒流源由于溫度漂移等因素影響的電流變化，使得輸出電壓比值與鉑電阻成良好的線性關系。

將得到的電壓信號通過24位A/D轉換器LTC2492進行采樣，然后將信號給ATmega32單片機，單片機進行數據處理并保存和顯示數據。該電路的設計溫度測量的穩定性可以達到1‰。

本發明以ATmega32單片機作為控制電路的核心器件，選用了24位LTC2492作為A/D轉換器，溫度傳感器選用了PT100，測溫寬度在-200℃～800℃，由于PT100傳感器允許通過不高于4mA的電流，最小置入深度不能小于200mm,其精度高達1mK，利用PT100溫度隨電阻阻值的變化而呈線性變化，采樣電路采用了改進的四線制接法，同時采集鉑電阻電壓和參考電壓，并用恒流源為電路提供一個穩定的、持續的電流，消除由于接入引線電阻的誤差以及鉑電阻激勵電流引起的溫漂對溫度測量的影響。數據處理采用函數逼近算法和溫度校正算法，從而實現高精度溫度測量，理論計算精度可達0.001℃。

本發明滿足測量要求，校準后的高精度溫度測量儀在測溫區間0℃～100℃，測溫精度達到千分之五。測溫精度高、測溫范圍廣、價格低，具有較為巨大的經濟價值和社會價值。

附圖說明

圖1為鉑電阻的特性曲線；

圖2為測量溫度原理圖；

圖3為基于鉑電阻的寬量程高精度溫度測量儀及其測量方法的原理圖；

圖4為鉑電阻四線制接線圖；

圖5為恒流源驅動電路圖；

圖6為LTC2492的原理圖；

圖7按鍵模塊的電路圖；

圖8基于鉑電阻的寬量程高精度溫度測量儀及其測量方法工作流程圖；

具體實施方式

如圖3所示，電源電路1、恒流源驅動電路2、溫度傳感器3、信號處理電路4、A/D轉換電路5、單片機6、顯示器7、儲存器8、按鍵模塊9、復位電路10、晶振電路11、溫度校準模塊12、數據信號處理模塊13；其中，電源電路1與恒流源驅動電路2、A/D轉換電路5和單片機6構成電連接，恒流源驅動電路2和信號處理電路4構成電連接，所述信號處理電路4包括連接溫度傳感器3的四根引線的等效電阻，分別為第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻，其中，第一電阻、恒流源驅動電路2、第二電阻和溫度傳感器3通過導線依次串聯構成回路，第三電阻的一端通過導線連接于第一電阻和溫度傳感器3之間，第三電阻的另一端連接A/D轉換電路5的A/D采樣補償線，第四電阻的一端通過導線連接于第二電阻和溫度傳感器3之間，第四電阻的另一端連接對地補償線，信號處理電路4通過A/D轉換電路5與單片機6相連，顯示器7、儲存器8、按鍵模塊9、復位電路10和晶振電路11分別與單片機6相連接，按鍵模塊9通過溫度校準模塊12與數據信號處理模塊13相連，數據信號處理模塊13與單片機6相連。

所述A/D轉換電路5采用24位的LTC2492模數轉換器，其精度可達V_REF/2²⁴，V_REF約等于1.1V，利用公式R_t＝R₀(1+At+Bt²+C(t-100)t³)和公式R_t＝(1+At+Bt²)采用數值逼近算法求解。

所述按鍵模塊9包括4個控制鍵，具體為1個ESC鍵，1個↑方向鍵和1個↓方向鍵，4個控制鍵的一端接地，另一端接I/O口和上拉電阻。

如圖1所示，當鉑電阻被放置的環境溫度在-200℃～800℃之間變化時，其所置環境溫度變化與電阻阻值接近線性的關系。國標規定PT鉑電阻在0℃時，其電阻值R₀＝100Ω，其特性曲線如圖1所示。

鉑電阻主要有電阻和允許兩種誤差。其中A允許誤差等于±(0.15+0.002t),B允許誤差等于±(0.30+0.005t),式中t表示溫度值。

當-200℃≤t≤0℃時，鉑電阻的阻值與溫度變化的函數表達式為：

R_t＝R₀(1+At+Bt²+C(t-100)t³) (1)

當0℃≤t≤850℃時，鉑電阻的阻值與溫度變化的函數表達式為：

R_t＝(1+At+Bt²) (2)

式中，R_t表示t℃時鉑電阻的電阻值，R₀表示0℃時鉑電阻的電阻值，本文設計過程中選用的電阻是Pt，標準Pt的R₀等于歐姆。A、B、C的值分別為：A＝3.9082×10^-3,B＝-5.80195×10^-7,C＝-4.2735×10^-12。

根據上述原理利用數值逼近算法，取一個數組存有如下數據，程序中設數組為T(K)，該數組中共有24個數據，數據如下：

8388.608,4194.304,2097.152,1048.576,0524.288,0262.144,0131.072,0065.536,0032.768,0016.384,0008.192,0004.096,0002.048,0001.024,0000.512,0000.256,0000.128,0000.064,0000.032,0000.016,0000.008,0000.004,0000.002,0000.001。

程序采用循環累加方式，當K＝1時，將8388.608帶入到式(2)中，計算出電阻值，將該值R_T與實際測量的鉑電阻阻值R_PT100進行比較，如果比實際測量電阻值大，即R_T＞R_PT100，則，此數據不進行累加，如果比實際測量電阻值小，即，R_T＜R_PT100，則，此數據進行累加。一次循環24次，最終將符合上述條件的T(K)值相加，得到鉑電阻溫度的計算值。

現實中鉑電阻溫度與電阻之間并不一直滿足這樣簡單的線性關系，受其他條件的影響，存在著偏差。

高精度測溫儀選擇鉑電阻作為測溫傳感器，鉑電阻選用改進的四線制布線法，可有效避免引線電阻給溫度測量帶來的誤差。由恒流電源給鉑電阻提供一個穩定的、持續的電流，將鉑電阻在溫度變化過程中引起的阻值變化轉變成電信號后傳送到A/D轉換器轉換成數字信號，再經由單片機接收、分析、處理并對計算結果進行校正，如有必要單片機外界的按鍵模塊可對系統進行初始化操作，最后將單片機處理的數據通過數碼管顯示出來。其工作原理如圖2所示。

鉑電阻PT100溫度傳感器是根據鉑電阻隨溫度變化的特性制成的，當待測環境溫度發生變化時，鉑電阻的阻值也隨之變化，從而將溫度信號轉換成電阻信號，再通過檢測鉑電阻的電壓值將電阻信號轉換成電壓信號。24位的LTC2492 A/D轉換器分別對鉑電阻PT的電壓和高精密電阻的電壓進行讀取，并將讀取的電壓信號轉換成數字信號。數字信號傳送到ATMEGA32單片機，微處理器會根據預先以函數逼近算法為核心編寫的程序對數字信號進行解析運算，從而獲得待測環境的測量溫度，最后通過數碼管顯示測量的溫度。

所述信號處理電路4采用四線制接線方式，是指溫度傳感器3即鉑電阻的兩側分別接引兩根導線，是一種高精度的測溫方法。它在二線制接線方法上分別外接一根A/D采樣補償線和一根A/D對地補償線。其中鉑電阻一端的導線將鉑電阻的變化轉變成電信號，其他兩條導線將電信號傳送到信號處理器。這樣的接線方式將引線電阻的影響完全消減，可用于精度高，距離遠的場所。同時注意將恒流源輸出的電流控制在4mA以內，避免電流過大導致鉑電阻過熱而給測量帶來誤差。

恒流源本身電阻無限大，具有不受溫度變化影響的特點，從而被廣泛應用于電路的設計之中，其主要作用是為所設計的電路提供一個不隨負載變化而變化的恒定電流。在高精度測溫儀的設計電路中需要準確的測得鉑電阻阻值的變化情況，以便可以將阻值變化轉變成電信號，從而轉化為數字信號，從而獲得待測環境的溫度。恒流源是準確測得鉑電阻阻值的前提條件。

基準參考電壓、恒流源的設計嚴重影響著電路的測量精度和穩定度。基準參考電壓V_REF是否穩定且低溫漂是保證本文中高精度測溫儀具有高精度的重要前提；同時，為采用四線制接線方式的鉑電阻溫度傳感器提供穩定的恒流源也是非常有必要的，且鉑電阻溫度傳感器的通過電流絕對不能高于4mA。

如圖4所示，所述信號處理電路4采用的是改進后的四線制接線法，為保證測量的精度和穩定度。圖5中X₁、X₂、X₃、X₄分別是鉑電阻傳感器的四根引線的等效電阻。以R₄電阻的電壓值做為基準電壓在本設計中R₄取值是510Ω，基準參考電壓、恒流源的設計嚴重影響著電路的測量精度和穩定度。基準參考電壓V_REF是否穩定且低溫漂是保證本文中高精度測溫儀具有高精度的重要前提。以三極管8550構成的鏡像電流源來減小外界干擾，避免誤差。在此基礎上串聯高精密電阻R₀，此高精密電阻的溫度變化系數是1ppm,即溫度變化1℃，其阻值變化為10^-6Ω，本設計中R₀取值是Ω。根據電子線路理論，鉑電阻PT傳感器的電流I為：

基準參考電壓V_REF為：

V_Ref＝I×R₄ (4)

PT傳感器的電壓和精密電阻R₀的電壓分別為：

V_PT100＝I×R_PT100 (5)

V_R0＝I×R₀ (6)

最終采取獲得PT傳感器的電壓和精密電阻R₀的電壓二者電壓的比值，即

從而，消除了恒流源由于溫度漂移等因素影響的電流變化，使得輸出電壓比值與鉑電阻成良好的線性關系。

將得到的電壓信號通過24位A/D轉換器LTC2492進行采樣，然后將信號給ATmega32單片機，單片機進行數據處理并保存和顯示數據。該電路的設計溫度測量的穩定性可以達到1‰。

表1高精度溫度測量儀仿真數據

根據圖5的設計電路和圖3系統結構流程框圖，本系統電路測試驗證通過改變電位器的阻值來模擬鉑電阻溫度傳感器測試，利用福祿克五位半臺式多用表8808A測量電位器的阻值進行校準，取部分測量數據如表1所示。根據表1系統測量采樣數據，V₁₀₀是表示精密電阻R₀的電壓，V_PT100是鉑電阻傳感器的電壓，通過式(7)可計算鉑電阻傳感器的阻值，再通過式(1)和式(2)求解出溫度測量值。經過數據計算，平均誤差1.1‰，最大誤差4‰。

為保證測量的精度和穩定度，我們設計了一個以510歐姆電阻做基準電壓，以三極管8550構成的鏡像電流源來減小外界干擾，避免誤差。在此基礎上串聯一個歐姆的高精密電阻，溫度變化1℃，此高精密電阻的電阻變化值為10⁶分之一。為保證本文設計的高精度測量儀的測溫精度和穩定度，我們采用歐姆高精密電阻和PT分別取模擬電壓做比值的方法來獲得電壓值。其電路設計參見圖5。

所述A/D轉換電路5主要作用是把模擬信號變成數字信號，本系統獨立設計了A/D轉換器。ADC選用的是電壓分辨率為0.5LSB，1LSB＝V_REF/2²⁴，V_REF的取值范圍為0.1～V_CC,24位的LTC2492，它完全符合本系統對精度的要求，LTC2492的設計如圖6所示。

為方便高精度測溫儀的參數設置和溫度的校準，特設計按鍵模塊9，按鍵模塊9包含4個控制按鍵，他們的功能分別是ESC、ENTER、兩個方向鍵。為實現電路的控制功能，4個控制按鍵一端接地，另一端接I/O口和上拉電阻。鍵盤上每一個按鍵等同于一個機械開關，當鍵被按下時，電路處于連通狀態，此時對應單片機口線為低電平；當按鍵被松開，整個電路處于斷開狀態，此時與單片機對應的口線為高電平。按鍵模塊的電路如圖7所示。

按鍵模塊9采用獨立式按鍵，可與I/O線直接連接成單個的按鍵電路，每個按鍵單獨連接一個I/O口線，處于獨立狀態，這種按鍵設置方式避免對其他I/O口線產生影響。此電路圖的設計采用低電平有效，當按鍵斷開時，上拉電阻保證了I/O口線有高電平。

溫度校準模塊12主要用于對所測溫度的數值進行線性校準，系統所測的溫度值的誤差主要由傳感器的不同、恒流源的差異、模數轉換器所引起的誤差以及解溫度方程所產生的誤差等組成，綜合看來這些是線性的，可用線性方程來進行修正。其修正方程計算公式為：y＝ax+b,計算之前需先確定方程中的a和b兩個參數，通過用兩點測量值與標準溫度值比較的方法可求得a和b兩個參數，將x代入式子：y＝ax+b中，解得的y就是修正后的結果。在確定a和b兩個參數的過程中，最好選0℃和100℃兩個點作為兩點測量值。

當-200℃≤t≤0℃時，鉑電阻的阻值與溫度變化的函數表達式為：

R_t＝R₀(1+At+Bt²+C(t-100)t³) (1)

當0℃≤t≤850℃時，鉑電阻的阻值與溫度變化的函數表達式為：

R_t＝(1+At+Bt²) (2)

通過系統校正。溫度測量儀測試數據如表2和表3所示。

表2校準后冰水混合物最終測試數據

表3校準后沸水最終測試數據

根據鉑電阻的特性曲線，其修正方程計算公式為：y＝ax+b。通過溫度校準參數程序對所測溫度的數值進行線性校準，綜合考慮恒流源的差異、模數轉換器所引起的誤差以及解溫度方程等所產生的誤差可用線性方程來進行修正。計算之前需先確定方程中的a和b兩個參數，通過用兩點測量值與標準溫度值比較的方法可求得a和b兩個參數我們選擇0℃和100℃兩個點作為兩點測量值來求解a和b兩個參數，將x代入式子：y＝ax+b中，解得的y就是修正后的結果。

通過對比校準前后溫度測量儀的測量數據可以看出，所述基于鉑電阻的寬量程高精度溫度測量儀及其測量方法滿足測量要求，校準后的高精度溫度測量儀在測溫區間0℃～100℃，測溫精度達到千分之五。測溫精度高、測溫范圍廣、價格低，具有較為巨大的經濟價值和社會價值。