CN102829888B

CN102829888B - 消减三线制热电阻测量误差的方法

Info

Publication number: CN102829888B
Application number: CN201110161316.5A
Authority: CN
Inventors: 侯金华; 琚长江; 仰恒光; 应成; 张伟; 陆晔; 李肖艳
Original assignee: Shanghai Electrical Apparatus Research Institute Group Co Ltd
Current assignee: Shanghai Electrical Apparatus Research Institute Group Co Ltd
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: CN102829888A

Abstract

一种消减三线制热电阻测量误差的方法，三线制热电阻测量电路包括：多路选择开关(MUX)、可编程运算放大器(PGA)、模拟数字转换器(ADC)、双恒流源(IDAC1，IDAC2)、参考电压采样电阻(Rref)、三线制热电阻(RTD)，其特征在于测量时通过多路选择开关(MUX)对调两个恒流源(IDAC1，IDAC2)与热电阻的连接关系，前后两次测量热电阻，并以这两个热电阻测量值的平均值为依据计算温度值。本发明的优点是通过上述处理方法，大幅消减双恒流源匹配误差对热电阻采样值的影响，实现高精度温度采集。

Description

消减三线制热电阻测量误差的方法

技术领域

本发明涉及一种温度的测量方法，特别一种消减双恒流源三线制热电阻测量电路测量误差的方法。

背景技术

温度量是工业场合用到最多的物理量之一，热电阻是一种常用的温度传感器，其特点是：准确度高、有线性度好、性能稳定。按接线方式划分，热电阻有以下三种：二线制热电阻、三线制热电阻、四线制热电阻。由于二线制热电阻测量准确度受线电阻影响太大，因此实际应用中往往采用三线制或四线制热电阻。三线制热电阻成本较低，接线较方便，是目前最常见的一种方式。

三线制热电阻采集方式有电桥法和双恒流源法。随着芯片技术的发展，双恒流源法得到广泛的应用。一些芯片厂商推出了基于该方法的高集成度热电阻采集芯片。双恒流源法测量三线制热电阻测温原理如下所述：此方法基于欧姆定律(R＝U/I)，首先测量得到U，然后计算出R，最后通过查表得出对应的温度值。如图1所示，测量电路包括6部分，多路选择开关(MUX)、可编程运算放大器(PGA)、模拟数字转换器(ADC)、双恒流源(IDAC1，IDAC2)、参考电压采样电阻(Rref)、三线制热电阻(RTD)。虽然三线制热电阻导线长度相同，单根导线阻抗相差微乎其微，但为了使得论证周全，假设三线制热电阻两端两根连线电阻为Rw1和Rw2。Rref为参考电压采样电阻，为模拟数字转换器提供参考源。图1中两个恒流源分别连接于热电阻两端的两根连接线上，恒流源产生激励电流。当两个恒流源提供的激励电流相等时，经推导计算，实测热电阻值与实际热电阻值之间关系如公式(1)所示。

Rrtd = \frac{RREF}{Rref} \times RRTD + \frac{RREF}{Rref} \times (Rw 1 - Rw 2)

公式(1)

式中：

Rrtd为实测热电阻值；

RRTD为实际热电阻值；

Rref为实际参考电阻值；

RREF为理论参考电阻值；

Rw1为热电阻a端一根导线的电阻；

Rw2为热电阻b端一根导线的电阻；

可见，采用双恒流源法对三线制热电阻采样时，要想实现高精度，两个恒流源匹配度必须达到高度一致。然而，以现有的技术，热电阻芯片厂商均无法保证非常高的匹配精度。双恒流源匹配精度直接影响温度采集精度。

申请号为200810036435.6的发明专利，介绍了一种热电阻测量电路。此发明完全没有考虑到双恒流源匹配精度，且没有对此因素造成的测量误差做任何措施，因此不可能达到很高的测量精度。文中生成可以用三线制热电阻实现四线制热电阻的采样精度值得商榷。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种消减三线制热电阻测量误差的方法。三线制热电阻测量电路包括：多路选择开关(MUX)、可编程运算放大器(PGA)、模拟数字转换器(ADC)、双恒流源(IDAC1，IDAC2)、参考电压采样电阻(Rref)、三线制热电阻(RTD)，其特征在于测量时，通过多路选择开关(MUX)对调两个恒流源(IDAC1，IDAC2)与热电阻的连接关系，前后两次测量热电阻，并以这两次热电阻测量值的平均值为依据计算温度值。

在三线制热电阻双恒流源测量电路中，通过在对调两个恒流源与热电阻连接关系前后，对热电阻分别进行一次测量值，并把两个测量值求平均值的方法，大幅消减双恒流源匹配误差对热电阻采样值的影响，实现高精度温度采集。

为达到上述目的，本实用技术方案是：首先，设置多路选择开关，参见图2，如图2电路配置如所示，进行一次采样，得到热电阻实测值Rrtd1如公式(3)所示。

Rrtd 1 = \frac{2 i_{1}}{i_{1} + i_{2}} \times \frac{RREF}{Rref} \times RRTD + \frac{{2 i}_{1} \times Rw 1}{i_{1} + i_{2}} \times \frac{RREF}{Rref} - \frac{2 i_{2} \times Rw 2}{i_{1} + i_{2}} \times \frac{RREF}{Rref}

公式(3)

式中：

i₁为恒流源IDAC1产生的激励电流；

i₂为恒流源IDAC1产生的激励电流；

然后，变换多路选择开关，参见图3，如图3电路配置如所示，进行再次采样，得到热电阻实测值Rrtd2如公式(4)所示。

Rrtd 2 = \frac{2 i_{2}}{i_{1} + i_{2}} \times \frac{RREF}{Rref} \times RRTD + \frac{{2 i}_{2} \times Rw 1}{i_{1} + i_{2}} \times \frac{RREF}{Rref} - \frac{2 i_{1} \times Rw 2}{i_{1} + i_{2}} \times \frac{RREF}{Rref}

公式(4)

最后，通过求Rrtd1和Rrtd2的平均值，得出热电阻采样值如公式(5)所示。

Rrtd = \frac{1}{2} \times (Rrtd 1 + Rrtd 2) = \frac{RREF}{Rref} \times RRTD + \frac{RREF}{Rref} \times (Rw 1 - Rw 2)

公式(5)

通过对照公式(1)和公式(5)可知，通过此方法，可将双恒流源匹配误差带给热电阻的测量误差完全消除。

得出热电阻值后，通过查表法即可得出对应的温度值。在三线制热电阻双恒流源测量电路中采用此方法可大幅提高热电阻测量精度。

本发明的优点是大幅消减双恒流源匹配误差对热电阻采样值的影响，实现高精度温度采集。

附图说明

图1双恒流源法测三线制热电阻原理示意图；

图2初次采样双恒流源与热电阻连接示意图；

图3二次采样双恒流源与热电阻连接示意图。

图中：MUX多路选择开关、PGA可编程运算放大器、ADC模拟数字转换器、IDAC1双恒流源、IDAC2双恒流源、Rref参考电压采样电阻、RTD三线制热电阻、Rw1导线电阻、Rw2导线电阻、a热电阻RTD的一端、b热电阻RTD的一端、i₁为恒流源IDAC1产生的激励电流、i₂为恒流源IDAC2产生的激励电流。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例：

三线制热电阻测量电路由多路选择开关MUX、可编程运算放大器PGA、模拟数字转换器ADC、双恒流源IDAC1，双恒流源IDAC2、参考电压采样电阻Rref、三线制热电阻RTD组成。三线制热电阻测量电路通过多路选择开关MUX对调恒流源IDAC1、恒流源IDAC2与热电阻RTD的连接关系，经两次测量热电阻RTD得到的电阻值并经计算求出平均值。

两次测量两组热电阻的电阻值过程中，第一次测量时，经多路选择开关MUX将恒流源IDAC1连接到热电阻RTD的a端，恒流源IDAC2连接到热电阻RTD的b端，得到热电阻实测值Rrtd1；第二次测量时，经多路选择开关MUX将恒流源IDAC1连接到热电阻RTD的b端，恒流源IDAC2连接到热电阻RTD的a端，得到热电阻实测值Rrtd2。参见图2、图3。

然后，通过上述计算公式求出Rrtd1和Rrtd2的平均值，并以该值作为最终热电阻采样值，然后通过查表法即可得出对应的温度值。

Claims

1.一种消减三线制热电阻测量误差的方法,三线制热电阻测量电路包括:多路选择开关（MUX）、可编程运算放大器（PGA）、模拟数字转换器（ADC）、双恒流源（IDAC1，IDAC2）、参考电压采样电阻（Rref）、三线制热电阻（RTD），三线制热电阻（RTD）a、b端分别接入多路选择开关的两端（MUX），多路选择开关（MUX）两端与可编程运算放大器（PGA）相连，可编程运算放大器（PGA）输出端与模拟数字转换器（ADC）输入端相连，双恒流源（IDAC1，IDAC2）分别接入多路选择开关（MUX），参考电压采样电阻（Rref）一端与三线制热电阻（RTD）b端相连，另一端接地，同时参考电压采样电阻的上述两端还接入模拟数字转换器（ADC），其特征在于测量时，通过多路选择开关（MUX）对调两个恒流源（IDAC1，IDAC2）与三线制热电阻的连接关系，前后两次测量三线制热电阻，并以这两个热电阻测量值的平均值为依据计算温度值，其中：第一次测量时，双恒流源与三线制热电阻的连接关系为第一恒流源（IDAC1）连接到三线制热电阻（RTD）的a端，第二恒流源（IDAC2）连接到三线制热电阻（RTD）的b端；第二次测量时，双恒流源与三线制热电阻连接关系为第一恒流源（IDAC1）连接到三线制热电阻（RTD）的b端，第二恒流源（IDAC2）连接到三线制热电阻（RTD）的a端。