CN108151903B - 基于三线制pt100的高精度低温漂测温***及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温***及其测量方法,属于温度测量技术领域,解决了传统测温***测量精度低、易受器件温漂特性影响的问题。主要包括恒流源、直流偏置电路模块、放大电路模块、ADC模数转换电路模块、MCU模块、液晶显示器模块、三线制热电阻PT100、常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3以及参考电阻R。本发明只要参考电阻R选择低温漂高精度的精密电阻就可以实现整个***的高精度测温,不受各个元器件的温漂特性影响,实现成本低,在温度测量技术领域具有非常重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于温度测量技术领域,具体地说,尤其涉及一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温***及其测量方法。
背景技术
目前,温度测量法主要有两线测量法、桥式测温法、恒流源三线制测温法。两线制测量方法由于导线电阻带来的附加误差使得实际测量值偏高,一般适用于测量精度要求不高的场合;一般的桥式测温电路的优点是用三根导线将PT100传感器和测量电路连接起来,PT100传感器两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上,这样做虽说可以减少导线电阻所引起的测量误差,但却不能消除测量误差;而由两个恒流源组成的三线制温度测量电路,则要求两个恒流源输出电流完全一致,对两个恒流源的电阻取值要求较高,测量精度很难控制。总之,现有温度测量方法在某个温度范围内可以获得较好的测量精度,但是,一旦超出此温度范围,由于各个器件的温漂特性,会严重影响测量精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足,提供了一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温***及其测量方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温***,包括恒流源U4、直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7、MCU模块U8以及液晶显示器模块U9,还包括三线制热电阻PT100、常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3以及参考电阻R;所述恒流源U4的输出端经常开型模拟开关U1的K1通道与所述三线制热电阻PT100的1号端子导线连接;所述三线制热电阻PT100的1号端子还经所述常开型模拟开关U2的K3通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接;所述常开型模拟开关U1的K2通道一端与所述恒流源U4输出端导线连接,另一端经参考电阻R接地,所述K2通道另一端还经所述常开型模拟开关U2的K4通道与所述直流偏置电路U5的输入端导线连接,所述常开型模拟开关U2的K5通道一端与所述直流偏置电路U5的输入端导线连接,另一端则接地;所述三线制热电阻PT100的2号端子经所述常开型模拟开关U3的K6通道与所述直流偏置电路U5的输入端导线相连接;所述三线制热电阻PT100的3号端子接地;所述三线制热电阻PT100用于将其电阻值转换为易测量的电压值;所述直流偏置电路模块U5的输出端与所述放大电路模块U6的输入端电信号连接,用于向所述放大电路模块U6提供偏置电压,确定所述放大电路模块U6的静态工作点;所述放大电路模块U6用于将输入的电压信号放大后传递至所述ADC模数转换电路模块U7,由所述ADC模数转换电路模块U7将模拟电压信号转为数字信号后传递至所述MCU模块U8,所述MCU模块U8再将该信号转换为温度值,由所述液晶显示器U9显示温度。
优选地,所述三线制热电阻PT100的三根导线采用长度、等截面积、相同材质的导线。
优选地,所述常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3的型号均为CD4051;
优选地,所述参考电阻R为低温漂高精度的精密电阻。
一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温***的测量方法,包括如下步骤:
A.在MCU模块U8的程序控制下,打开常开型模拟开关U2的K5通道,此时所述MCU模块U8的输出测量电压值为V1=VOS*A(1),并由所述MCU模块U8记忆存储;其中,VOS为所述直流偏置电路模块U5的偏置电压,A为放大电路模块U6的放大倍数;
B.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K5通道,打开常开型模拟开关U1的K2通道,和常开型模拟开关U2的K4通道,将参考电阻R接入到回路中,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V2=(I*R+VOS)*A(2),并由所述MCU模块U8记忆存储;其中,I为恒流源电流值;
C.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U1的K2通道、常开型模拟开关U2的K4通道,打开常开型模拟开关U1的K1通道和常开型模拟开关U2的K3通道,将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt以及其中两根导线电阻r1、r2接入到回路中,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V3=[(Rt+r1+r2)*I+VOS]*A(3),并由所述MCU模块U8记忆存储;
D.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K3通道,打开常开型模拟开关U3的K6通道,并继续打开常开型模拟开关U1的K1通道,将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt、三根导线电阻r1、r2、r3接入到回路中,由于直流偏置电路模块U5呈高阻状态,流经r3上的电流几乎为零,MCU模块U8输出电压即为流经电阻Rt、r2上的电压值,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V4=[(Rt+r2)*I+VOS]*A(4),并由所述MCU模块U8记忆存储;
E.由步骤A中的式(1)、步骤B中的式(2)可推导出I=(V2-V1)/(R*A)(5);
F.由步骤A中的式(1)、步骤C中的式(3)、步骤D中的式(4),步骤E中的式(5)可推导出RL=(V3-V4)/A*I=[(V3-V4)*R]/(V2-V1)(6);
G.由步骤C中的式(3)、步骤E中的式(5)、步骤F中的式(6)可推导出Rt=(V4/A-VOS)/I-RL=[(2V4-V1-V3)/(V2-V1)]*R(7),从式(7)中可知,三线制热电阻PT100的Rt电阻值只与参考电阻R有关,所述参考电阻R为低温漂高精度的精密电阻;所述MCU模块U8根据式(7)计算出当前环境下的三线制热电阻PT100Rt电阻值,所述三线制热电阻PT100将该Rt电阻值转换为易测量的电压值,再经所述直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7将电信号传递至所述MCU模块U8,所述MCU模块U8再将该信号转换为温度值,由所述液晶显示器U9显示温度。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1.本发明的测量精度仅与参考电阻有关,只要参考电阻R选择低温漂高精度的精密电阻就可以实现整个***的高精度测温,不会受各个元器件的温漂特性而影响到***的测量精度;
2.本发明应用范围广,实现成本低,常开型模拟开关为市面常见器件,高精度低温漂的精密电阻也是市面随处可见,但本发明的实用性却很强,巧妙解决了传统测温***测量精度低、易受器件温漂特性影响的问题,在温度测量技术领域具有非常重要的意义。
附图说明
图1是本发明***框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明:
一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温***,包括恒流源U4、直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7、MCU模块U8以及液晶显示器模块U9,还包括三线制热电阻PT100、常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3以及参考电阻R;所述恒流源U4的输出端经常开型模拟开关U1的K1通道与所述三线制热电阻PT100的1号端子导线连接;所述三线制热电阻PT100的1号端子还经所述常开型模拟开关U2的K3通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接;所述常开型模拟开关U1的K2通道一端与所述恒流源U4输出端导线连接,另一端经参考电阻R接地,所述K2通道另一端还经所述常开型模拟开关U2的K4通道与所述直流偏置电路U5的输入端导线连接,所述常开型模拟开关U2的K5通道一端与所述直流偏置电路U5的输入端导线连接,另一端则接地;所述三线制热电阻PT100的2号端子经所述常开型模拟开关U3的K6通道与所述直流偏置电路U5的输入端导线相连接;所述三线制热电阻PT100的3号端子接地;所述三线制热电阻PT100用于将其电阻值转换为易测量的电压值;所述直流偏置电路模块U5的输出端与所述放大电路模块U6的输入端电信号连接,用于向所述放大电路模块U6提供偏置电压,确定所述放大电路模块U6的静态工作点;所述放大电路模块U6用于将输入的电压信号放大后传递至所述ADC模数转换电路模块U7,由所述ADC模数转换电路模块U7将模拟电压信号转为数字信号后传递至所述MCU模块U8,所述MCU模块U8再将该信号转换为温度值,由所述液晶显示器U9显示温度。
优选地,所述三线制热电阻PT100的三根导线采用长度、等截面积、相同材质的导线。
优选地,所述常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3的型号均为CD4051;
优选地,所述参考电阻R为低温漂高精度的精密电阻。
一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温***的测量方法,包括如下步骤:
A.在MCU模块U8的程序控制下,打开常开型模拟开关U2的K5通道,此时所述MCU模块U8的输出测量电压值为V1=VOS*A(1),并由所述MCU模块U8记忆存储;其中,VOS为所述直流偏置电路模块U5的偏置电压,A为放大电路模块U6的放大倍数;
B.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K5通道,打开常开型模拟开关U1的K2通道,和常开型模拟开关U2的K4通道,将参考电阻R接入到回路中,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V2=(I*R+VOS)*A(2),并由所述MCU模块U8记忆存储;其中,I为恒流源电流值;
C.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U1的K2通道、常开型模拟开关U2的K4通道,打开常开型模拟开关U1的K1通道和常开型模拟开关U2的K3通道,将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt以及其中两根导线电阻r1、r2接入到回路中,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V3=[(Rt+r1+r2)*I+VOS]*A(3),并由所述MCU模块U8记忆存储;
D.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K3通道,打开常开型模拟开关U3的K6通道,并继续打开常开型模拟开关U1的K1通道,将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt、三根导线电阻r1、r2、r3接入到回路中,由于直流偏置电路模块U5呈高阻状态,流经r3上的电流几乎为零,MCU模块U8输出电压即为流经电阻Rt、r2上的电压值,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V4=[(Rt+r2)*I+VOS]*A(4),并由所述MCU模块U8记忆存储;
E.由步骤A中的式(1)、步骤B中的式(2)可推导出I=(V2-V1)/(R*A)(5);
F.由步骤A中的式(1)、步骤C中的式(3)、步骤D中的式(4),步骤E中的式(5)可推导出RL=(V3-V4)/A*I=[(V3-V4)*R]/(V2-V1)(6);G.由步骤C中的式(3)、步骤E中的式(5)、步骤F中的式(6)可推导出Rt=(V4/A-VOS)/I-RL=[(2V4-V1-V3)/(V2-V1)]*R(7),从式(7)中可知,三线制热电阻PT100的Rt电阻值只与参考电阻R有关,所述参考电阻R为低温漂高精度的精密电阻;所述MCU模块U8根据式(7)计算出当前环境下的三线制热电阻PT100Rt电阻值,所述三线制热电阻PT100将该Rt电阻值转换为易测量的电压值,再经所述直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7将电信号传递至所述MCU模块U8,所述MCU模块U8再将该信号转换为温度值,由所述液晶显示器U9显示温度。
本发明包括恒流源U4、直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7、MCU模块U8以及液晶显示器模块U9,还包括三线制热电阻PT100、常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3以及参考电阻R;所述恒流源U4的输出端经常开型模拟开关U1的K1通道与所述三线制热电阻PT100的1号端子导线连接;所述三线制热电阻PT100的1号端子还经所述常开型模拟开关U2的K3通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接;所述常开型模拟开关U1的K2通道一端与所述恒流源U4输出端导线连接,另一端经参考电阻R接地,所述K2通道另一端还经所述常开型模拟开关U2的K4通道与所述直流偏置电路U5的输入端导线连接,所述常开型模拟开关U2的K5通道一端与所述直流偏置电路U5的输入端导线连接,另一端则接地;所述三线制热电阻PT100的2号端子经所述常开型模拟开关U3的K6通道与所述直流偏置电路U5的输入端导线相连接;所述三线制热电阻PT100的3号端子接地;所述三线制热电阻PT100用于将其电阻值转换为易测量的电压值;所述直流偏置电路模块U5的输出端与所述放大电路模块U6的输入端电信号连接,用于向所述放大电路模块U6提供偏置电压,确定所述放大电路模块U6的静态工作点;所述放大电路模块U6用于将输入的电压信号放大后传递至所述ADC模数转换电路模块U7,由所述ADC模数转换电路模块U7将模拟电压信号转为数字信号后传递至所述MCU模块U8,所述MCU模块U8再将该信号转换为温度值,由所述液晶显示器U9显示温度。本发明恒流源U4为0.5mA的恒流源,参考电阻R可以为5ppm的精密电阻,由于普通运算放大器的失调电压小于10mV,因此直流偏置电路U5的偏置电压设为10mV。常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3可以选用8通道型号为CD4051的芯片,但不局限于此,只要模拟开关能够通过MCU模块U8控制即可。本发明的直流偏置电路U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7、MCU模块U8、液晶显示器模块U9均为现有技术,并且本发明对上述电路模块也不局限于某一种电路设计,只要能实现各模块功能即可,故在此不赘述其电路原理图。
本发明测量方法,包括以下步骤:
A.在MCU模块U8的程序控制下,打开常开型模拟开关U2的K5通道,此时所述MCU模块U8的输出测量电压值为V1=VOS*A(1),并由所述MCU模块U8记忆存储;其中,VOS为所述直流偏置电路模块U5的偏置电压,A为放大电路模块U6的放大倍数;
B.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K5通道,打开常开型模拟开关U1的K2通道,和常开型模拟开关U2的K4通道,将参考电阻R接入到回路中,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V2=(I*R+VOS)*A(2),并由所述MCU模块U8记忆存储;其中,I为恒流源电流值;
C.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U1的K2通道、常开型模拟开关U2的K4通道,打开常开型模拟开关U1的K1通道和常开型模拟开关U2的K3通道,将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt以及其中两根导线电阻r1、r2接入到回路中,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V3=[(Rt+r1+r2)*I+VOS]*A(3),并由所述MCU模块U8记忆存储;
D.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K3通道,打开常开型模拟开关U3的K6通道,并继续打开常开型模拟开关U1的K1通道,将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt、三根导线电阻r1、r2、r3接入到回路中,由于直流偏置电路模块U5呈高阻状态,流经r3上的电流几乎为零,MCU模块U8输出电压即为流经电阻Rt、r2上的电压值,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V4=[(Rt+r2)*I+VOS]*A(4),并由所述MCU模块U8记忆存储;
E.由步骤A中的式(1)、步骤B中的式(2)可推导出I=(V2-V1)/(R*A)(5);
F.由步骤A中的式(1)、步骤C中的式(3)、步骤D中的式(4),步骤E中的式(5)可推导出RL=(V3-V4)/A*I=[(V3-V4)*R]/(V2-V1)(6);
G.由步骤C中的式(3)、步骤E中的式(5)、步骤F中的式(6)可推导出Rt=(V4/A-VOS)/I-RL=[(2V4-V1-V3)/(V2-V1)]*R(7),从式(7)中可知,三线制热电阻PT100的Rt电阻值只与参考电阻R有关,所述参考电阻R为低温漂高精度的精密电阻;所述MCU模块U8根据式(7)计算出当前环境下的三线制热电阻PT100Rt电阻值,所述三线制热电阻PT100将该Rt电阻值转换为易测量的电压值,再经所述直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7将电信号传递至所述MCU模块U8,所述MCU模块U8再将该信号转换为温度值,由所述液晶显示器U9显示温度。
三线制热电阻PT100的Rt阻值至于参考电阻R有关,只要参考电阻R选择低温漂高精度的精密电阻就可以实现高精度低温漂的热电阻PT100测温,而市面上高精度、低温漂的精密电阻是很容易获得并且购进成本不高。
本发明的测量精度仅与参考电阻有关,只要参考电阻R选择低温漂高精度的精密电阻就可以实现整个***的高精度测温,不会受各个元器件的温漂特性而影响到***的测量精度;本发明应用范围广,实现成本低,常开型模拟开关为市面常见器件,高精度低温漂的精密电阻也是市面随处可见,但本发明的实用性却很强,巧妙解决了传统测温***测量精度低、易受器件温漂特性影响的问题,在温度测量技术领域具有非常重要的意义。
综上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用来限定本发明实施的范围,凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰,均应包括于本发明的权利要求范围内。
Claims (2)
1.一种基于三线制PT100的高精度低温漂测温***,包括恒流源U4、直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7、MCU模块U8以及液晶显示器模块U9,其特征在于:还包括三线制热电阻PT100、常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3以及参考电阻R;所述恒流源U4的输出端经常开型模拟开关U1的K1通道与所述三线制热电阻PT100的1号端子导线连接;所述三线制热电阻PT100的1号端子还经所述常开型模拟开关U2的K3通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接;所述常开型模拟开关U1的K2通道一端与所述恒流源U4输出端导线连接,另一端经参考电阻R接地,所述K2通道另一端还经所述常开型模拟开关U2的K4通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接,所述常开型模拟开关U2的K5通道一端与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线连接,另一端则接地;所述三线制热电阻PT100的2号端子经所述常开型模拟开关U3的K6通道与所述直流偏置电路模块U5的输入端导线相连接;所述三线制热电阻PT100的3号端子接地;所述三线制热电阻PT100用于将其电阻值转换为易测量的电压值;所述直流偏置电路模块U5的输出端与所述放大电路模块U6的输入端电信号连接,用于向所述放大电路模块U6提供偏置电压,确定所述放大电路模块U6的静态工作点;所述放大电路模块U6用于将输入的电压信号放大后传递至所述ADC模数转换电路模块U7,由所述ADC模数转换电路模块U7将模拟电压信号转为数字信号后传递至所述MCU模块U8,所述MCU模块U8再将该信号转换为温度值,由所述液晶显示器模块U9显示温度,所述三线制热电阻PT100的三根导线采用长度、等截面积、相同材质的导线,所述常开型模拟开关U1、常开型模拟开关U2、常开型模拟开关U3的型号均为CD4051。
2.一种如权利要求1所述的基于三线制PT100的高精度低温漂测温***的测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
A.在MCU模块U8的程序控制下,打开常开型模拟开关U2的K5通道,此时所述MCU模块U8的输出测量电压值为V1=VOS*A(1),并由所述MCU模块U8记忆存储;其中,VOS为所述直流偏置电路模块U5的偏置电压,A为放大电路模块U6的放大倍数;
B.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K5通道,打开常开型模拟开关U1的K2通道,和常开型模拟开关U2的K4通道,将参考电阻R接入到回路中,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V2=(I*R+ VOS)*A(2),并由所述MCU模块U8记忆存储;其中,I为恒流源电流值;
C.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U1的K2通道、 常开型模拟开关U2的K4通道,打开常开型模拟开关U1的K1通道和常开型模拟开关U2的K3通道,将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt以及其中两根导线电阻r1、r2接入到回路中,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V3=[(Rt+r1+r2)*I+ VOS]*A(3),并由所述MCU模块U8记忆存储;
D.在MCU模块U8的程序控制下关闭常开型模拟开关U2的K3通道,打开常开型模拟开关U3的K6通道,并继续打开常开型模拟开关U1的K1通道,将所述三线制热电阻PT100的电阻Rt、三根导线电阻r1、r2、r3接入到回路中,由于直流偏置电路模块U5呈高阻状态,流经r3上的电流几乎为零,MCU模块U8输出电压即为流经电阻Rt、r2上的电压值,此时MCU模块U8的输出测量电压值为V4=[(Rt+ r2)*I+ VOS]*A(4),并由所述MCU模块U8记忆存储;
E.由步骤A中的式(1)、步骤B中的式(2)可推导出I=(V2- V1)/(R*A)(5);
F.由步骤A中的式(1)、步骤C中的式(3)、步骤D中的式(4),步骤E中的式(5)可推导出r1=(V3- V4)/(A*I)=[( V3- V4)*R]/(V2- V1)(6);
G.由步骤C中的式(3)、步骤E中的式(5)、步骤F中的式(6)可推导出Rt=(V4/A- VOS)/I-r1=[(2 V4- V1- V3)/ (V2- V1)]*R(7),从式(7)中可知,三线制热电阻PT100的Rt电阻值只与参考电阻R有关,所述参考电阻R为低温漂高精度的精密电阻;所述MCU模块U8根据式(7)计算出当前环境下的三线制热电阻PT100Rt电阻值,所述三线制热电阻PT100将该Rt电阻值转换为易测量的电压值,再经所述直流偏置电路模块U5、放大电路模块U6、ADC模数转换电路模块U7将电信号传递至所述MCU模块U8,所述MCU模块U8再将该信号转换为温度值,由所述液晶显示器模块U9显示温度。
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