一种低成本高精度易反推易调试的温度测量方法与流程

1.本发明属于测温电路领域，特别涉及一种低成本高精度易反推易调试的温度测量方法。


背景技术：

2.随着高度智能化的全面发展，温度测量随处可见，测温电路的应用越来越广泛，大多采用的是选用温度传感器，目前主流的温度传感器分为四种，即rtd、热敏电阻、热电偶以及具有数字和模拟接口的集成电路传感器。
3.rtd温度传感器线性、重复性和稳定性好，但是由于需要恒定电压、电流，所以通电过程中产生的功率会影响其所测温度，另外，在rtd模拟信号输出时，放大器和adc组件的自身误差也需要考虑，精度一般在0.1～1.0℃；热敏电阻，分为正温度系数和负温度系数，但是它的适用温度范围比较苛刻，一般在0℃～ 150℃，且测量精度为0.05～1.5℃；热电偶温度传感器在暴露状态下，抗腐蚀性较弱，稳定性不如rtd和热敏电阻，测量精度在0.5～5.0℃；ic类的温度传感器，功耗低，体积小，集成度高，但是测温范围受限，仅为-70℃～150℃，测量精度与热电偶差不多，在0.5～5.0℃。
4.所以，温度测试方法的确定，需要从温度范围、精度、应用环境、成本等多个角度考量。目前涉及到的温度测量方法，大多采用集成ic温度采集模块、测电阻并进行ad解算法。ic温度采集模块，集成度高，看似省心省力，但是测温范围受限，而且都需要有微处理器芯片协同进行数据交互，才可以实现温度数据采集；测电阻法，大多采用人工查表和微处理器查表法，表格数据量大，录入繁琐，要么应用线性插值法，这些方法不是工作量大、就是温度解算算法精度差，据计算大于0℃的温度解算误差达0.1℃以上，负温度状态，在-40℃以下，误差平均大于5℃。


技术实现要素：

5.为了克服现有误差大且成本高的问题，本发明提供一种低成本高精度易反推易调试的温度测量方法，本方法中用到的硬件电路简单，器件为常规易购品，调试过程直观可靠，温度解算算法以基础特性为依据，避开了人为误差，实现了高精度温度测量，经济适用，具有很高的推广价值。
6.本发明采用的技术方案为：
7.一种低成本高精度易反推易调试的温度测量方法，具体步骤为：
8.第一步，通过温度采集电路中四个电阻r1、r2、r3、r4搭建的惠斯通桥得到铂热电阻r3与最低温度参考电阻r1的差分电压输出δu；
9.第二步，对第一步中得到的差分电压δu同比例放大g倍，得出放大后的差分电压δuadv；
10.第三步，根据第二步得到的电压数据δuadv和第一步得到的电压数据δu得出铂热电阻r3的阻值；
11.第四步，通过高精度温度解算算法得到铂热电阻r3与温度的转换，求得温度数值，实现高精度温度测量。
12.所述的第一步中，通过高精度电阻r1、r2、r4以及铂热电阻r3搭建惠斯通桥，通过给惠斯通桥两端供合适的电压vcc，实现铂热电阻r3与最低温度参考电阻r1的差分电压输出δu。
13.所述的第二步中，选用轨对轨差分运放以及运放增益电阻r7，实现第一步中得到的差分电压δu的同比例放大，得到其放大后的差分电压δuadv，并将该电压直接输入到微处理器的模拟数字输入端，即ad输入端，通过ad数据采集得到电压δuadv的数字数据。
14.根据惠斯通桥电路的工作原理，可得u
+
、u-、δu的输出公式如下：
[0015][0016][0017][0018]
其中，u
+
为轨对轨差分运放的正输入端，u-为轨对轨差分运放的负输入端，δu为轨对轨差分运放的差分输入电压。
[0019]
根据运放增益电阻r7得到的运放放大倍数g，可得实际输入ad的电压为：
[0020]
δuadv＝δu*g
ꢀꢀꢀꢀ
(4)，其中，δu为轨对轨差分运放的差分输入电压，g为运放增益电阻r7的放大倍数；
[0021]
则铂热电阻的阻值为：
[0022][0023]
所述的第四步中，高精度温度解算算法包括负温度范围温度解算算法和正温度范围温度解算算法，其中负温度范围为-200℃～0℃，正温度范围为0℃～ 850℃；
[0024]
对于-200℃～0℃的温度范围，电阻与温度的对应关系：
[0025]
r(t)＝r(0℃)*[1+at+bt+bt2+c(t-100℃)t3]
ꢀꢀ
(7)
[0026]
对于0℃～850℃的温度范围，电阻与温度的对应关系：
[0027]
r(t)＝r(0℃)*(1+at+bt2)
ꢀꢀ
(8)
[0028]
在以上两公式中
[0029]
r(t)——在温度为t℃时铂热电阻r3的电阻值，记为r，单位为ω；
[0030]
t——温度为t℃；
[0031]
r(0℃)——在温度为0℃时铂热电阻r3的电阻值为100ω；
[0032]
a——常数，其值为3.9083
×
10-3
[0033]
b——常数，其值为-5.775
×
10-7
[0034]
c——常数，其值为-4.183
×
10-12
。
[0035]
对于-200℃～0℃的温度范围，温度高精度解算算法为：根据公式(7)求解四次方程，将该方程写成一元四次方程的标准形式，即：
[0036][0037]
运用意大利数学家费拉里的一元四阶求根公式，得出温度电阻的对应关系式：
[0038][0039]
式中，
[0040][0041][0042][0043][0044]
其中，δ1＝c
2-3bd+12ae
[0045][0046]
其中，
[0047]
δ2＝2c
3-9bcd+27ad2+27b2e-72ace。
[0048]
a＝c,b＝-100c,c＝b,d＝a,
[0049]
a——常数，其值为3.9083
×
10-3
,
[0050]
b——常数，其值为-5.775
×
10-7
,
[0051]
c——常数，其值为-4.183
×
10-12
,
[0052]
在温度为t℃时铂热电阻r3的电阻值记为r。
[0053]
对于0℃～850℃的温度范围，根据公式(8)可换算得到温度的计算公式：
[0054][0055]
式中，
[0056]
a——常数，其值为3.9083
×
10-3
,
[0057]
b——常数，其值为-5.775
×
10-7
,
[0058]
c——常数，其值为-4.183
×
10-12
,
[0059]
在温度为t℃时铂热电阻r3的电阻值记为r。
[0060]
本发明的有益效果为：
[0061]
本发明通过高精度电阻r1、r2、r4以及pt100电阻r3搭建惠斯通桥，通过给惠斯通桥两端供合适的电压vcc，实现pt100电阻r3与最低温度参考电阻 r1的差分电压。该电路结构简单，原理成熟，几个电阻即可实现pt100(铂热电阻)温度阻值的测量，与市场上高精度的集成芯片温度采集电路相比，电路简单、易懂、易操作、成本低；选用精度高电阻搭建惠斯通桥，为高精度测试打下硬件坚实基础。
[0062]
本发明中，通过公式(5)解算得到pt100电阻r3的阻值，利用此法可反推验证惠斯通桥和轨对轨差分运放电路的工作情况和精度，便于电路功能调试确认。
[0063]
本发明中利用的温度解算算法没有经过任何的近似处理，而是通过jb/t 8622-1997《工业铂热电阻技术条件及分度表》定义的pt100电阻阻值随温度变化的函数关系，通
过求解高次方程，得出温度随阻值变化的复杂关系，并给出全温度范围高精度温度-阻值解算公式，通过微处理器算法解算，求得温度数值，从而实现高精度温度解算测量，全温度范围(高温、低温)解算精度很高，达到 0.001℃。
[0064]
与常规方法对比，本发明中提供的测量方法的精度提高近10倍；借助常用的测试手段，测出输出、输入电压，给出反推电阻的公式，便于反推调试和检验电路的硬件特性。
[0065]
本发明提供的一种低成本高精度易反推易调试的温度测量方法硬件电路简单，器件为常规易购品，调试过程直观可靠，温度解算算法以基础特性为依据，避开了人为误差，实现了高精度温度测量，经济适用，具有很高的推广价值。
[0066]
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
[0067]
图1为温度采集电路图。
具体实施方式
[0068]
实施例1：
[0069]
为了克服现有误差大且成本高的问题，本发明提供一种低成本高精度易反推易调试的温度测量方法，本方法中用到的硬件电路简单，器件为常规易购品，调试过程直观可靠，温度解算算法以基础特性为依据，避开了人为误差，实现了高精度温度测量，经济适用，具有很高的推广价值。
[0070]
一种低成本高精度易反推易调试的温度测量方法，具体步骤为：
[0071]
第一步，通过温度采集电路中四个电阻r1、r2、r3、r4搭建的惠斯通桥得到铂热电阻r3与最低温度参考电阻r1的差分电压输出δu；
[0072]
第二步，对第一步中得到的差分电压δu同比例放大g倍，得出放大后的差分电压δuadv；
[0073]
第三步，根据第二步得到的电压数据δuadv和第一步得到的电压数据δu得出铂热电阻r3的阻值；
[0074]
第四步，通过高精度温度解算算法得到铂热电阻r3与温度的转换，求得温度数值，实现高精度温度测量。
[0075]
本发明中提供的一种低成本高精度易反推易调试的温度测量方法，具体实现过程如下：
[0076]
一、得到输入差分电压δu。通过高精度电阻r1、r2、r4以及pt100电阻 r3搭建惠斯通桥，通过给惠斯通桥两端供合适的电压vcc，实现pt100电阻r3 与最低温度参考电阻r1的差分电压输出δu。该电压也可通过万用表测量可得，可直接验证电路的准确可靠性，体现电路的易调试性；该电路结构简单，原理成熟，几个电阻即可实现pt100温度阻值的测量，与市场上高精度的集成芯片温度采集电路相比，电路简单、易懂、易操作、成本低；选用精度高电阻搭建惠斯通桥，为高精度测试打下硬件坚实基础。
[0077]
二、得出放大后的差分电压δuadv。选用轨对轨差分运放以及合适的运放增益电阻r7，实现第一步中得到的差分电压δu的同比例(g倍)放大，得到其输出电压δuadv，并将该电压直接输入到微处理器的模拟数字输入端，即ad输入端，通过ad数据采集得到电压δ
uadv的数字数据，在该步中，利用万用表也可直接测量得出运放的输出电压δuadv。并对两种方式得到的电压数据进行对比，很容易实现电路功能调试，再次体现电路的易调试特性。
[0078]
三、得出pt100电阻的阻值。根据第二步得到的电压数据δuadv，并通过公式(5)解算得到pt100电阻r3的阻值。或者通过万用表可以直接测量pt100 的阻值，利用此法可反推验证惠斯通桥和轨对轨差分运放电路的工作情况和精度，便于电路功能调试确认。
[0079]
四、高精度温度电阻解算算法。本发明中利用的温度解算算法没有经过任何的近似处理，而是通过jb/t 8622-1997《工业铂热电阻技术条件及分度表》定义的pt100电阻阻值随温度变化的函数关系，通过求解高次方程，得出温度随阻值变化的复杂关系，并给出全温度范围高精度温度-阻值解算公式，通过微处理器算法解算，求得温度数值从而实现高精度温度解算测量，全温度范围(高温、低温)解算精度很高，达到0.001℃。
[0080]
实施例2：
[0081]
基于实施例1的基础上，本实施例中，优选的，所述的第一步中，通过高精度电阻r1、r2、r4以及铂热电阻r3搭建惠斯通桥，通过给惠斯通桥两端供合适的电压vcc，实现铂热电阻r3与最低温度参考电阻r1的差分电压输出δu。
[0082]
优选的，所述的第二步中，选用轨对轨差分运放以及运放增益电阻r7，实现第一步中得到的差分电压δu的同比例放大，得到其放大后的差分电压δuadv，并将该电压直接输入到微处理器的模拟数字输入端，即ad输入端，通过ad数据采集得到电压δuadv的数字数据。
[0083]
如图1所示，为实现温度采集，需要将pt100阻值转换成电压信号输入到微处理器的ad输入端，微处理器芯片的最大输入电压为供电电压，为防止输入超限使得微处理器的ad输入端被破坏，同时为了信号调理的简单便捷，选用轨对轨运放作为差分运放芯片，且运放供电电压不高于微处理器电压。
[0084]
本发明涉及采用惠斯通桥测试原理完成对pt100电阻的采集，通过轨对轨差分运放作为电阻电压转换，通过高精度算法实现电阻温度换算，从而实现温度的测量。电路主要包括四个惠斯通桥电阻，一个轨对轨差分运放和微处理器芯片，为了信号抗干扰性更强，外围配置了部分滤波电容。电路的组成部件均可直接购买，本发明中不再进行进一步的描述。
[0085]
如图1所示，本发明中，r1、r2、r3、r4组成惠斯通桥，形成四个连接点 a、b、c、d,点a处与vcc连接，点b与接地agnd连接。点c与u1之间设有r5，点d与u1之间设有r6连接。c3、c4和c5依次串联后两端均接地，r5、r6位于c3、c4和c5依次串联后的线路的一侧，u1位于另一侧。c3和c4分别位于点 e的上下两端，c5位于点f的下端，u1两端并联设置有r7和c6。r7和c6位于c3、c4和c5依次串联后的线路与u1之间。j1为pt100铂热电阻的输入接口与r3的两端连接。
[0086]
本发明中，电路连接好后，根据实时的vcc电压和各已知的r1、r2、r4、 r5、r6和r7的电阻值，以及u
+
为轨对轨差分运放的正输入端，u-为轨对轨差分运放的负输入端，δu为轨对轨差分运放的差分输入电压和根据运放增益电阻 r7得到的运放放大倍数g，得到的实际输入ad的电压δuadv最终计算得到铂热电阻r3的实际温度值。
[0087]
如图1所示，本发明中温度采集电路中，j1为pt100铂热电阻的输入接口；r1、r2、r3、r4为惠斯通桥电阻，r3、r4选择相同阻值的电阻，为了测量精度更高，建议选用高精度电阻(建议至少千分之一精度)，r1的阻值决定了该电路可测的最低温度，r3为pt100的输入电
阻；r5、r6为运放输入端的振铃电阻，用于消除输入通道上的杂波等干扰信号；c3、c4、c5分别为运放正输入端、运放差分输入端、运放负输入端的高频滤波电容；u1为轨对轨运放(运放输入和输出电压幅值接近或几乎等于电源电压值)，用于输入pt100阻值与基准电阻r1 的电压差信号，c6为高频滤波电容，r7为运放增益电阻，用于配置运放的放大倍数g。
[0088]
本发明中，根据惠斯通桥电路的工作原理，可得u
+
、u-、δu的输出公式如下：
[0089][0090][0091][0092]
其中，u
+
为轨对轨差分运放的正输入端，u-为轨对轨差分运放的负输入端，δu为轨对轨差分运放的差分输入电压。
[0093]
根据运放增益电阻r7得到的运放放大倍数g，可得实际输入ad的电压为：
[0094]
δuadv＝δu*g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0095]
在实际调试过程中，我们可以根据万用表等测试设备直接测量出输入电压δuadv，根据公式(5)
[0096][0097]
即可换算出pt100的阻值，同时，pt100的阻值也可以直接用万用表测量所得，在脱离微处理器工作的前提下，可以直接方便地验证铂热电阻采集电路的功能，体现了该温度采集电路的易反推、易调试。
[0098]
δuadv数值输入微处理器芯片的ad端口，假设微处理器adc的转换精度为2n,ad采集数据记为addata，根据公式(6)
[0099][0100]
可得出微处理器采集得到的差分电压数据，再根据公式(5)换算得到pt100 的阻值，通常利用查pt100温度阻值表得出阻值对应的温度，或者采用线性插值法得出温度随阻值的变化关系。本发明根据jb/t 8622-1997《工业铂热电阻技术条件及分度表》定义的pt100电阻阻值随温度变化的函数关系，通过求解高次方程，得出温度随阻值变化的复杂关系，并给出全温度范围高精度温度-阻值解算公式，通过微处理器算法解算，求得温度数值，从而实现高精度温度测量。
[0101]
本发明中提供了一种成本低、精度高、易反推、易调试的温度测试方法，本发明设计了硬件电路、给出了检验电路性能的验证公式，给出了正、负温度范围下的高精度温度解算算法。高精度温度解算算法包括负温度范围温度解算算法和正温度范围温度解算算法，其中负温度范围为-200℃～0℃，正温度范围为0℃～ 850℃；
[0102]
高精度温度解算算法为：
[0103]
根据jb/t 8622-1997《工业铂热电阻技术条件及分度表》定义：
[0104]
对于-200℃～0℃的温度范围，电阻与温度的对应关系：
[0105]
r(t)＝r(0℃)*[1+at+bt+bt2+c(t-100℃)t3]
ꢀꢀ
(7)
[0106]
对于0℃～850℃的温度范围，电阻与温度的对应关系：
[0107]
r(t)＝r(0℃)*(1+at+bt2)
ꢀꢀ
(8)
[0108]
在以上两公式中
[0109]
r(t)——在温度为t℃时铂热电阻的电阻值，记为r，单位为ω；
[0110]
t——温度为t℃；
[0111]
r(0℃)——在温度为0℃时铂热电阻的电阻值为100ω；
[0112]
a——常数，其值为3.9083
×
10-3
,
[0113]
b——常数，其值为-5.775
×
10-7
,
[0114]
c——常数，其值为-4.183
×
10-12
。
[0115]
本发明涉及的温度解算算法，依据标准里给出的铂热电阻的复杂非线性特性，通过求解高阶方程得出了温度电阻的解算算法，通过计算和对比分析，该算法精度高，最大误差为0.01℃。该思路打破了常规使用近似线性法或者数据插值法实现对温度数据处理，并分别给出了负温度下和正温度下的温度解算算法。
[0116]
负温度范围温度解算算法：
[0117]
对于-200℃～0℃的温度范围，根据公式(7)求解四次方程，为方便计算，将该方程写成一元四次方程的标准形式，即：
[0118][0119]
运用意大利数学家费拉里的一元四阶求根公式，得出温度电阻的对应关系式：
[0120][0121]
其中，a＝c,b＝-100c,c＝b,d＝a,
[0122]
a——常数，其值为3.9083
×
10-3
,
[0123]
b——常数，其值为-5.775
×
10-7
,
[0124]
c——常数，其值为-4.183
×
10-12
,
[0125]
在温度为t℃时铂热电阻r3的电阻值记为r；
[0126][0127][0128][0129][0130]
其中，δ1＝c
2-3bd+12ae
[0131][0132]
其中，
[0133]
δ2＝2c
3-9bcd+27ad2+27b2e-72ace。
[0134]
公式(10)即为-200℃～0℃温度范围时的温度高精度解算算法。根据此公式解算
得到的温度数据如表1所示，由表可以看出：该公式测正温度时，误差较大，接近于0.1℃；测量负温度时，误差最大仅0.012℃，精度相差近10倍。
[0135]
表1公式(10)解算得到的温度电阻对应表
[0136][0137]
正温度范围温度解算算法：
[0138]
对于0℃～850℃的温度范围，根据公式(8)可换算得到温度的计算公式：
[0139][0140]
式中，
[0141]
a——常数，其值为3.9083
×
10-3
,
[0142]
b——常数，其值为-5.775
×
10-7
,
[0143]
c——常数，其值为-4.183
×
10-12
,
[0144]
在温度为t℃时铂热电阻r3的电阻值记为r。
[0145]
公式(11)即为0℃～850℃温度范围时的温度高精度解算算法。根据此公式解算得到的温度数据如表2所示，由表可知：用0—850℃的温度计算公式所得数值，在测正温度时，误差在0.01左右；测试负温度时，误差随着温度的降低而增大到2℃左右。
[0146]
表2公式(11)解算得到的温度电阻对应表
[0147][0148]
本发明利用铂热电阻pt100正温度系数的特性，利用惠斯通桥设计了电阻采集电路，给出了反推验证电路测试性能的电阻公式，使得电路脱离微处理器调试状态，也可以直观反推和检测该电路的测试精度。应用jb/t 8622-1997《工业铂热电阻技术条件及分度表》定义的铂热电阻的本体特性，通过求解高次方程和测试验证，给出了铂热电阻pt100正、负温度下的高精度温度解算公式。
[0149]
本发明提供的硬件电路材料成本低、易购买、便于实现；温度解算算法理论依据可靠，以jb/t 8622-1997中的定义为抓手，从基础特性研究，推算出了温度解算算法，与常规方法对比，优于常规精度近10倍；借助常用的测试手段，测出输出、输入电压，给出反推电阻的公式，便于反推调试和检验电路的硬件特性。该方法硬件电路简单，器件为常规易购品，调试过程直观可靠，温度解算算法以基础特性为依据，避开了人为误差，实现了高精度温度测量，经济适用，具有很高的推广价值。
[0150]
以上举例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本发明中未详细描述的装置结构及其方法步骤均为现有技术，本发明中将不再进行进一步的说明。