一種高精度鉑電阻測溫系統及基於該系統的測溫方法

2023-06-04 02:03:26 1

專利名稱：一種高精度鉑電阻測溫系統及基於該系統的測溫方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度測量系統，尤其是一種高精度鉑電阻測溫系統。
背景技術：
溫度是國際單位制中7個基本物理量之一。標準鉑電阻溫度計具有高精度、高靈敏 性和高穩定性等特點，因而被廣泛應用於智能儀器儀表的溫度測量。現有方法大多是先 將電阻變化通過電阻橋轉換為電壓信號，再經過一系列濾波和放大處理後，送入A/D
轉換器完成溫度採集。這類方法需要解決好兩個問題(l)由於溫度對鉑電阻阻值和放
大器帶來的影響，系統在環境溫度變化時會產生一定的系統誤差。在高精確度測量中，
尋找有效的溫度補償方法是需要面臨的難題之一。(2)隨著測量精度的提高，高解析度 A/D轉換器的價格大增，導致測量儀器成本過高是所面臨的另一個問題。

發明內容
本發明設計的目的是針對現有技術的不足，提供一種低成本、高測量精度的鉑電阻 測溫系統及基於該測溫系統的測溫方法。
本發明所採用的技術方案是
一種高精度鉑電阻測溫系統，包括RC振蕩器、頻率測量晶片、參考時鐘電路、單 片機、液晶顯示器和上位機；RC振蕩器的輸出端與頻率測量晶片的輸入端連接，參考 時鐘電路的輸出端與頻率測量晶片的時鐘端連接，頻率測量晶片和單片機通過SPI總線 連接，單片機分別與液晶顯示器、上位機連接；所述RC振蕩器包括第一電容C1和鉑 電阻傳感器Rt，其中鉑電阻傳感器Rt的一端與頻率測量晶片的N腳連接，鉑電阻傳感 器Rt另一端分別與頻率測量晶片的P腳、第一電容C1的一端相連，第一電容C1的另 一端接地。
本發明的高精度鉑電阻測溫系統的單片機與上位機連接方式為無線RS-232串口連
4接方式。
本發明的高精度鉑電阻測溫系統的參考時鐘電路包括第一電阻R1、第二電阻R2、 第二電容C2、第三電容C3、晶體振蕩器X1以及反相器IC1;其中第一電阻R1的一端 與第二電容C2的一端連接，第二電容C2的另一端與晶體振蕩器X1的一端連接後接地， 晶體振蕩器X1的另一端與第三電容C3的一端連接後接地，第三電容C3的另一端分別 與第二電阻R2的一端、反相器IC1的輸入端連接，反相器IC1的輸出端分別與第一電 阻R1的另一端、第二電阻R2的另一端、頻率測量晶片的CLK腳連接。 本發明的高精度鉑電阻測溫系統單片機採用C8051F021單片機。 本發明還提供一種基於本發明的高精度鉑電阻測溫系統的測溫方法，包括以下步
驟，
步驟A，根據頻率測量晶片電路得到的頻率計數值標定高階多項式系統，具體為
① 在鉑電阻傳感器Rt的測溫範圍內均勻改變恆溫槽的溫度值，同時分別記錄頻率 計數值與標準溫標測得的溫度值，得到兩組相對應的頻率計數值和標準溫度值；
② 採用高階多項式對①步中得到的兩組相對應的頻率計數值和標準溫度值進行回 歸，得到頻率計數值與標準溫度值的映射關係，求得一組高階多項式係數；
步驟B，上位機向單片機發送啟動採集命令；
步驟C，單片機收到啟動採集命令後，打開RC振蕩器並開始對震蕩頻率計數；
步驟D，計數周期結束後，單片機在本地保留計數值，同時也將該計數值發送回上 位機；
步驟E，上位機對該計數值進行IIR濾波後，再通過步驟A標定的高階多項式係數 解算出實際溫度值。
基於本發明的測溫方法中採用的高階多項式是11階多項式。
其測量結果分兩種方式進行顯示， 一種以LCD方式在本地顯示，另一種通過串口 與上位機連接，在上位機中顯示並保存。
有益效果
本發明的有益效果是
(1)、鉑電阻釆用二線制接法，與固定電容構成RC振蕩器，將鉑電阻變化量轉換為頻率信號，解決了傳統方法中不平衡電阻橋所帶來的非線性問題；
(2) 、鉑電阻工作在無源狀態，且整個電路有數字晶片組成，免去了溫變等不確定 性因素引發的補償問題；
(3) 、通過測量頻率變化量，直接通過高階多項式解算鉑電阻的阻值變化，從而i十 算出被測溫度值，省去A/D環節，在高精度測溫時大幅降低了設備成本；


圖l是本發明的結構示意圖。
圖2是本發明的測溫方法的流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施做出進一步說明。圖l是本發明的結構示意圖。
按照圖l連接好電路，本發明的高精度鉑電阻測溫系統，包括RC振蕩器101、頻 率測量晶片102、參考時鐘電路103和單片機104，液晶顯示器105，上位機106， RC 振蕩器101包括第一電容Cl和鉑電阻傳感器Rt，鉑電阻傳感器Rt採用二線制接法， 其一端與第一電容C1的一端相連，同時又連接到頻率測量晶片102的P腳，另外一端 連接到頻率測量晶片102的N腳，第一電容C1的另一端接地，頻率測量晶片102和單 片機104通過SPI總線連接，參考時鐘電路103與頻率測量晶片102的CLK腳連接， 單片機104與液晶顯示器105連接，與上位機106通過串口連接。
參考時鐘電路103包括第一電阻R1、第二電阻R2、第二電容C2、第三電容C3、 晶體振蕩器X1以及反相器IC1;其中第一電阻R1的一端分別與第二電阻R2的一端、 第二電容C2的一端連接，第二電容C2的另一端與晶體振蕩器X1的一端連接後接i也， 晶體振蕩器X1的另一端與第三電容C3的一端連接後接地，第三電容C3的另一端分別 與第二電阻R2的另一端、反相器IC1的輸入端連接，反相器IC1的輸出端分別與第一 電阻R1的另一端、頻率測量晶片102的CLK腳連接。
當溫度發生變化時，鉑電阻傳感器Rt隨測量對象的溫度變化發生變化導致RC振
蕩器101的振蕩頻率發生變化，從而將鉑電阻傳感器Rt變化調製為時變頻率信號，再
由單片機104控制頻率測量晶片102測量該頻率變化量，將測量值送入上位機106，在
上位機106中利用IIR濾波器進行濾波後，再用高階多項式完成頻率變化到溫度變化的解算，解算出實際溫度值。
多項式係數確定方法為將鉑電阻傳感器Rt放入標定環境中，在鉑電阻傳感器Rt
的測量範圍內均勻改變恆溫槽溫度，同時記錄頻率計數值與標準溫標得到的溫度值，然 後用高階多項式對兩組數據進行回歸，得到計數值與標準溫度值的映射關係，從而得到 一組多項式係數，以後測得的新的計數值用該組係數即可算出對應的溫度。理論上多項 式階數越高，精度越高，但資源消耗也越大，本發明採用11階多項式，不但系統標定、 校準過程簡單，還便於軟體自動化實現。
下面根據附圖2的流程圖具體說明該測溫方法。 如圖2所示，該測溫方法包含4個步驟。
步驟201，上位機106向單片機104發送啟動採集命令，本發明採取RS232方式連 接上位機106和單片機104，命令幀格式為起始符，命令字，數據，幀尾，校驗字。
步驟202，單片機104收到啟動採集命令後，打開RC振蕩器101並開始對震蕩頻 率計數。計數周期由用戶指定，周期越長採樣解析度越高，但採樣頻率會降低。如用戶 不指定採樣周期，系統提供默認的採樣周期為0.2S，可達到相當於24位的釆樣解析度。
步驟203，計數周期結束後，在本地保留計數值，同時也將該計數值發送回上位機
106;
步驟204，上位機106對該計數值進行IIR濾波後，再使用標定好的高階多項式系 數解算出實際溫度值。
權利要求
1、一種高精度鉑電阻測溫系統，其特徵在於包括RC振蕩器(101)、頻率測量晶片(102)、參考時鐘電路(103)、單片機(104)、液晶顯示器(105)和上位機(106)；RC振蕩器(101)的輸出端與頻率測量晶片(102)的輸入端連接，參考時鐘電路(103)的輸出端與頻率測量晶片(102)的時鐘端連接，頻率測量晶片(102)和單片機(104)通過SPI總線連接，單片機(104)分別與液晶顯示器(105)、上位機(106)連接；所述RC振蕩器(101)包括第一電容C1和鉑電阻傳感器Rt，其中鉑電阻傳感器Rt的一端與頻率測量晶片(102)的N腳連接，鉑電阻傳感器Rt另一端分別與頻率測量晶片(102)的P腳、第一電容C1的一端相連，第一電容C1的另一端接地。
2、 根據權利要求1所述的高精度鉑電阻測溫系統，其特徵在於所述單片機(104) 與上位機(106)連接方式為無線RS-232串口連接方式。
3、 根據權利要求l所述的高精度鉑電阻測溫系統，其特徵在於所述參考時鐘電 路(103)包括第一電阻R1、第二電阻R2、第二電容C2、第三電容C3、晶體振蕩器 XI以及反相器IC1;其中第一電阻R1的一端與第二電容C2的一端連接，第二電容C2 的另一端與晶體振蕩器X1的一端連接後接地，晶體振蕩器X1的另一端與第三電容C3 的一端連接後接地，第三電容C3的另一端分別與第二電阻R2的一端、反相器IC1的 輸入端連接，反相器IC1的輸出端分別與第一電阻R1的另一端、第二電阻R2的另一 端、頻率測量晶片(102)的CLK腳連接。
4、 根據權利要求1所述的高精度鉑電阻測溫系統，其特徵在於所述單片機(104) 是C8051F021單片機。
5、 一種基於權利要求l所述的高精度鉑電阻測溫系統的測溫方法，其特徵在於 包括以下步驟，步驟A，根據權利要求1所述頻率測量晶片(102)電路得到的頻率計數值標定高 階多項式系統，具體為① 在鉑電阻傳感器Rt的測溫範圍內均勻改變恆溫槽的溫度值，同時分別記錄頻率 計數值與標準溫標測得的溫度值，得到兩組相對應的頻率計數值和標準溫度值；② 採用高階多項式對①步中得到的兩組相對應的頻率計數值和標準溫度值進行回歸，得到頻率計數值與標準溫度值的映射關係，求得一組高階多項式係數； 步驟B，上位機(106)向單片機(104)發送啟動採集命令；步驟C，單片機(104)收到啟動採集命令後，打開RC振蕩器(101)並開始對震 蕩頻率計數；步驟D，計數周期結束後，單片機(104)在本地保留計數值，同時也將該計數值 發送回上位機(106);步驟E，上位機(106)對該計數值進行IIR濾波後，再通過步驟A標定的高階多 項式係數解算出實際溫度值。
6、根據權力要求5所屬的基於高精度鉑電阻測溫系統的測溫方法，其特徵在於 所述高階多項式為11階多項式。
全文摘要
本發明涉及一種高精度鉑電阻測溫系統及基於該系統的測溫方法，包括RC振蕩器(101)、頻率測量晶片(102)、參考時鐘電路(103)、單片機(104)、液晶顯示器(105)和上位機(106)；鉑電阻傳感器以二線制接法與固定電容一起構成RC振蕩器(101)，當溫度發生變化時，鉑電阻阻值跟隨變化，導致振蕩器的振蕩頻率發生變化，從而將鉑電阻變化調製為時變頻率信號，再用頻率測量晶片測量該頻率變化量，將測量值送入上位機，在上位機中利用高階多項式完成頻率變化到溫度變化的解算，實現利用鉑電阻的高精度溫度測量，本發明具有測溫精度高、實現成本低、穩定性好的特點。
文檔編號G01K7/18GK101634595SQ20091018473
公開日2010年1月27日 申請日期2009年8月20日 優先權日2009年8月20日
發明者李舜酩, 李芳培, 柏芳超, 毛建國, 峘 沈 申請人:南京航空航天大學