本發(fā)明涉及溫度測量領(lǐng)域，更具體地涉及一種基于電阻比率法鉑電阻測溫系統(tǒng)中的誤差修正方法。

背景技術(shù)：

溫度是日常生活及生產(chǎn)活動中的重要參數(shù)，涉及國民經(jīng)濟、科學(xué)研究及社會建設(shè)等各方面，準確高效地獲取溫度信息具有重要意義。在地質(zhì)勘查、環(huán)境檢測、工業(yè)現(xiàn)場多點數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，不僅要求實現(xiàn)高精度測溫，還要求儀表便攜，在野外或現(xiàn)場能夠長時間穩(wěn)定工作，且操作簡單，性價比高。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，測溫技術(shù)正朝著高精度、低成本、小型集成化發(fā)展。鉑電阻是最精確和最穩(wěn)定的溫度傳感器，由于具有高精度、較好線性度、極佳的可互換性和長期穩(wěn)定性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高精度的溫度測量領(lǐng)域。

目前，高精度熱電阻法測量溫度主要采用四線制的鉑電阻以消除引線造成的測量誤差。在精密測溫系統(tǒng)中，電阻信號常通過電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)放大處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，最終發(fā)送至單片機進行處理。但由于電路元器件性能、環(huán)境溫度、鉑電阻自熱效應(yīng)的影響，使系統(tǒng)測試時存在較大誤差，且引線電阻以及差分放大器上增益電阻不匹配都會影響測溫的準確性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對背景技術(shù)中提到的現(xiàn)有便攜式鉑電阻溫度測量系統(tǒng)中準確度不高的問題，本發(fā)明采用四線制鉑電阻溫度傳感器，設(shè)計了一種基于阻值比率法的便攜式高精度測溫電路，并提出了一種修正誤差的方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

測溫電路中含多項誤差，主要包括差分放大器上的共模誤差、引線誤差、寄生熱電勢誤差等，其中最主要的是共模誤差，它的大小受差分放大器上增益電阻間差異程度的影響。所述誤差的修正方法為：通過分析電路中各誤差項的影響，建立電壓比值與鉑電阻、參考電阻、引線電阻以及模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻之間的函數(shù)關(guān)系式，將該測溫電路連接標準電阻箱，調(diào)節(jié)電阻箱以測量不同阻值的標準電阻，將標準電阻箱示值作為真值代入上述函數(shù)關(guān)系式中，多次測量組成多元一次方程組可求解得到各誤差項系數(shù)，最終得到鉑電阻的修正公式，從而修正鉑電阻的阻值。

該測溫電路的工作原理為：四線制鉑電阻作為測溫傳感器，高穩(wěn)態(tài)金屬箔電阻作為參考電阻，兩者串聯(lián)并由恒流源驅(qū)動，通過模擬開關(guān)切換通道，模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換鉑電阻和參考電阻上的電壓，隨即將轉(zhuǎn)換后的電壓發(fā)送至單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行處理后再將鉑電阻測得的溫度發(fā)送至上位機顯示。

本發(fā)明的有益效果是：采用恒流源換向驅(qū)動串聯(lián)鉑電阻與參考電阻，有效減少了引線電阻及電路中寄生電動勢引起的誤差；采用高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和高穩(wěn)態(tài)金屬箔電阻提高了測溫系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性；通過對電路結(jié)構(gòu)中各誤差的分析，建立函數(shù)關(guān)系式并計算出各誤差系數(shù)，從而對測得鉑電阻的阻值進行修正，實驗結(jié)果表明：測溫系統(tǒng)經(jīng)過誤差修正后，溫度測量的準確性得到顯著提高。

附圖說明

圖1為高精度測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為恒流源驅(qū)動及切換電路的原理圖；

圖3為鉑電阻測溫電路的原理圖；

圖4為誤差分析原理圖；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

如圖所示，圖1為本發(fā)明高精度鉑電阻測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，鉑電阻作為溫度傳感器，它是利用阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來進行測溫，通過測量其電阻值推算出被測物體溫度，這就是鉑電阻溫度傳感器的工作原理。高精度鉑電阻測溫系統(tǒng)包括：電壓-電流轉(zhuǎn)換的精密恒流源驅(qū)動電路、模擬開關(guān)切換電路、電壓跟隨器、差分放大電路、高穩(wěn)態(tài)金屬箔電阻以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器及單片機構(gòu)成。

所述模擬開關(guān)切換電路為低導(dǎo)通電阻、低功耗、雙通道雙刀雙擲cmos器件，起到切換恒流源方向和選擇放大通路的作用；電壓跟隨器為超低噪聲運算放大器，利用放大器輸入阻抗大的特性，實現(xiàn)阻抗匹配；差分放大電路是由低噪聲、低失真、超低功耗的差分放大器及增益電阻組成，增益電阻為4個0.1％的精密電阻，實現(xiàn)差分增益配置；高穩(wěn)態(tài)金屬箔電阻是精度為0.01％的100ω高精密電阻，溫漂系數(shù)為0.05ppm；模數(shù)轉(zhuǎn)換器為σ-δ型32位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其利用高倍頻過采樣技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字濾波，降低了對傳感器信號濾波的要求，通過將過采樣技術(shù)與噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)結(jié)合使用，使其有效分辨率得以提高；單片機為stm32系列微型處理器，是對測溫流程控制及數(shù)據(jù)處理的中心。

圖2為電壓-電流轉(zhuǎn)換的精密恒流源驅(qū)動電路，是采用超低噪聲、低失調(diào)的運算放大芯片ada4528來提供穩(wěn)定輸出的恒流源，其中r1＝r2＝100k，r3＝r4＝10k，均是精度為0.1％的電阻，r5＝330ω，輸出的恒流源i＝0.75ma。

圖3為鉑電阻測溫電路原理圖，鉑電阻與參考電阻串聯(lián)，四線制鉑電阻中兩根線通恒流源，另外兩根為電壓線，電路放大倍數(shù)記為g；當(dāng)恒流源從鉑電阻流向參考電阻時，放大后鉑電阻的電壓記為volt1，參考電阻的電壓記為volt2；當(dāng)恒流源從參考電阻流向鉑電阻時，放大后鉑電阻的電壓記為volt3，參考電阻的電壓記為volt4；電路中鉑電阻通路上寄生電動勢記為emf1，失調(diào)漂移記為offset1，參考電阻通路上寄生電動勢記為emf2，失調(diào)漂移記為offset2：

volt1＝g(i×rpt+emf1)+offset1(1)

volt2＝g(i×rref+emf2)+offset2(2)

volt3＝g(-i×rpt+emf1)+offset1(3)

volt4＝g(-i×rref+emf2)+offset2(4)

根據(jù)以上公式可得：由此公式可以看出，在假設(shè)電路放大倍數(shù)g恒定且不受被測量影響時，通過恒流源換向方法可以消除電路中引線上寄生電動勢和失調(diào)漂移對測量鉑電阻阻值的影響，鉑電阻的阻值只與測量的電壓比值及參考電阻有關(guān)。

圖4為誤差分析原理圖，rf1＝rf2＝250ω、rg1＝rg2＝2kω，均為0.1％的精密電阻，組成簡單外部反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)差分增益配置；由于這些反饋電阻的阻值并不完全匹配，使得電路放大倍數(shù)g受反饋電阻阻值影響，設(shè)結(jié)合上述分析步驟對電路差分放大電壓的分析，設(shè)電壓比值為m，則可得到公式(5)：

由此可見，由于差分放大器上增益電阻不匹配對電壓比值存在一個誤差系數(shù)β的影響，若β越大，鉑電阻阻值的偏差則越大，準確度就越低。

然而，測溫系統(tǒng)的誤差不僅受到增益電阻之間的差異程度的影響，還受到引線電阻和模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響。為了分析每項誤差的影響，重新建立鉑電阻的函數(shù)表達式。如圖4所示，rpt和rref分別代表鉑電阻和參考電阻的阻值，lpa、lpb、lpc和lpd分別是鉑電阻上的引線電阻，lra、lrb、lrc和lrd分別是參考電阻上的引線電阻。rona、ronb是模擬開關(guān)上的導(dǎo)通電阻(繼電器或cmos多路復(fù)用器)，offa、offb、offc、offd輸出放大器的偏置電壓，由于放大器的輸入阻抗大，在采樣終端導(dǎo)線和導(dǎo)通電阻的影響可以忽略。

同樣地，第一步是當(dāng)電流從鉑電阻流向參考電阻上時，測量鉑電阻的電壓，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的鉑電阻電壓記為vin1，表達式如下：

vin1＝α{(i×rpt+offb-offa)+β[i(lpd+lra+rref+

lrd+ronb)+offb]}+offc-offd(6)

第二步是當(dāng)電流從鉑電阻流向參考電阻上時，測量參考電阻的電壓，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電阻電壓記為vin2，表達式如下：

vin2＝α{(i×rref+offb-offa)+β[i(lrd+rona)+

offb]}+offc-offd(7)

第三步是當(dāng)電流從參考電阻流向鉑電阻上時，測量鉑電阻的電壓，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的鉑電阻電壓記為vin3，表達式如下：

vin3＝α{(-i×rpt+offb-offa)+β[i(rpt+lra+

rona)+offb]}+offc-offd(8)

第四步是當(dāng)電流從參考電阻流向鉑電阻上時，測量參考電阻的電壓，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電阻電壓記為vin4，表達式如下：

vin4＝α{(-i×rref+offb-offa)+β[i(rref+lra+

lpd+rpt+lpa+rona)+offb]}+offc-offd(9)

設(shè)電壓比值根據(jù)公式(6)～(9)有：

其中：

δl1＝lpa-lpd-lra-lrd

δl2＝lpa+lpd+lra-lrd

δron＝rona-ronb

根據(jù)電路中引線的實際長度，引線電阻可以直接測得，或?qū)⑵渑cβ和ref均當(dāng)作未知誤差系數(shù)，代入公式(10)建立方程亦可求解。根據(jù)公式(10)，推出電壓比值與電阻阻值及包含誤差項的關(guān)系式如下：

通過分析可知，由于電路中的各項誤差，電阻比值與電壓比值關(guān)系式越發(fā)復(fù)雜，關(guān)系式中存在的誤差項系數(shù)越大，rpt的偏差則越大，準確度就越低，因此需要修正誤差系數(shù)β、參考電阻與引線電阻的值。修正的方法為：鉑電阻用標定后的標準電阻代替，該系統(tǒng)實測標準電阻得到電壓比值m，以標定后的標準電阻為鉑電阻真值rpt，rref、引線電阻、β為未知參數(shù)，測量多個不同阻值的標準電阻，代入公式(10)組成多元一次方程組并解出相關(guān)誤差項的系數(shù)，將誤差項系數(shù)代入公式(11)，得到鉑電阻阻值的修正值。

實驗驗證：電路板測量不同阻值的精密電阻，保證相同實驗條件下，將精密電阻浸沒在小型油浴中，并對油浴進行實時控溫，通過長時間的測量，測試結(jié)果顯示無明顯漂移現(xiàn)象，測溫精密度優(yōu)于1.6mk；運用誤差修正方法后，測溫系統(tǒng)的溫度測量準確性有顯著提高，在0～500ω范圍，修正后測溫系統(tǒng)測得的標準電阻阻值與真值相差最大僅有0.00295ω，溫漂系數(shù)在±15ppm以下，以最大絕對誤差0.00295ω計算，對應(yīng)its-90標準分度表，用鉑電阻在0℃3850×10^-6/℃的靈敏度計算，修正后的最大溫度檢測相對誤差為0.007℃。

結(jié)合本發(fā)明設(shè)計的基于電阻比率法的鉑電阻測溫系統(tǒng)及提出的誤差修正方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測溫，且功耗低，精巧便攜，面積僅為120mm×77mm，具有高精度、不確定度小、低成本、小型集成化的特點，滿足在地質(zhì)勘查、環(huán)境檢測、工業(yè)現(xiàn)場多點數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域的測溫要求，能夠長時間穩(wěn)定工作，且操作簡單，性價比高，適用于便攜式高精度測溫儀，數(shù)字式溫度計，電阻溫度標定儀及智能化高精度測溫類儀器的研制。