一种多参考阻值比率测温结构及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种多参考阻值比率测温结构及测量方法，该测温结构由参考电阻R1、R2……

【技术实现步骤摘要】
一种多参考阻值比率测温结构及测量方法

：
[0001]本专利技术涉及长距离温度测量技术、高分辨率温度测量技术、高准确度温度测量技术等，具体指一种多参考阻值比率测温结构，可广泛应用于长距离、长测量时间、高分辨率、高准确度、环境温度变化较大的温度测量领域中。

技术介绍
：
[0002]实现长距离、高分辨率、高准确度的温度测量对于科学研究及工业控制具有重要的现实意义，而由于温差热电势及导线电阻的影响，诸如隧道、矿井、深海及空间站等应用场合的温度测量结果往往偏差很大，且测温元件与模拟信号采集电路板的距离越长，偏差会越大。例如在对深100米的矿井测温时，地面温度为25℃，矿井内部温度为50℃，采用现有的三线制惠斯通电桥测量会由于温差热电势而带来约0.125mV的误差影响，且随着测量温度越高，电桥越来越不平衡，电桥两侧的电流差异越来越大，导线电阻带来的电压误差便不可抵消，越来越大；若采用现有的恒流源激励的铂电阻-参考电阻比率测温方法，虽然导线电阻及温差热电势对测量结果的影响较小，但其测温性能在铂电阻阻值远离参考电阻阻值时会产生性能的劣化，且对于测温系统的非线性标定结果会随着电子器件老化、环境温度变化等因素的影响而变差，无法满足长测温时间、环境温度变化较大的应用。目前，在公开可调研的文献中还没有发现与本专利技术类似的技术。

技术实现思路
：
[0003]本专利技术主要目的是解决长距离下的温度测量准确度不高、长测量时间、电路使用环境温度变化较大的问题，利用多参考阻值比率测温结构来削弱恒流源长期漂移、温差电势以及电压测量中零点误差、灵敏度误差等引起的影响，削弱由于电子器件老化、环境温度变化所造成的电路非线性特性的改变，从而实现可应用于长距离、长测量时间、高分辨率、高准确度、环境温度变化较大场景的温度测量。
[0004]整个测温结构包括多个(大于等于2个)参考电阻R1、R2……
R
n
、一个铂电阻R
t
、一个双向恒流源I
S
和一个具有测量对象切换功能的电压采集单元。测温结构由参考电阻R1、R2……
R
n
和一个铂电阻R
t
串联组成，该串联结构的两端导线记为A1、A2，A1、A2连接到双向恒流源I
S
上；铂电阻的两端再引出两根导线，分别记为M
Rt
、N
Rt
；每个参考电阻的两端再引出两根导线，分别记为M
R1
、N
R1
、M
R2
、N
R2
……
M
Rn
、N
Rn
；将导线M
Rt
和导线M
R1
、M
R2
……
M
Rn
接入电压采集单元的正输入端口中；将导线N
Rt
和导线N
R1
、N
R2
……
N
Rn
接入电压采集单元的负输入端口中；该电压采集单元具有可切换测量对象的能力。本专利技术的结构示意如图1所示。
[0005]当该多参考阻值比率测温结构连接长导线进行温度测量时，其电路结构模型简化为图2所示。其中r、E为长导线上的导线电阻与温差热电势，U
t
，U
Ri
分别为铂电阻R
t
与参考电阻R
i
(i＝1,2,
…
n)两端的压差。当恒流源方向为正时，U
t
＝U
t+
，U
Ri
＝U
Ri+
；当恒流源方向为负时，U
t
＝U
t-，U
Ri
＝U
Ri-。
[0006]本专利技术的使用方法如下：
[0007]1.将恒流源方向设置为正方向，其电流大小为I
S
，切换电压采集模块的测量对象为铂电阻R
t
，通过导线M
Rt
、N
Rt
测量铂电阻的电压U
t+
，再将恒流源方向设置为负方向，其电流大小为-I
S
，测量铂电阻的电压U
t-。
[0008]2.参照测量铂电阻R
t
的方法，依次测量参考电阻R1、R2……
R
n
的电压，当恒流源方向为正时，参考电阻R
i
(i＝1,2,
…
n)的电压为U
Ri+
，当恒流源方向为负时，参考电阻R
i
(i＝1,2,
…
n)的电压为U
Ri-。
[0009]3.计算得到当前的温度值t。
[0010]铂电阻R
t
的阻值换算公式为：
[0011]R
t
＝R
Pt0
(1+Tt)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0012]其中R
Pt0
为铂电阻在0℃时的电阻值，T为铂电阻的电阻温度系数，由生产厂商给出，为3850ppm/℃；
[0013]在使用本专利技术时，尽可能选用相近的导线及焊接方法，则导线电阻相对于铂电阻及参考电阻而言很小，统一记为r，导线上的温差热电势几乎相等，统一记为E。由于电压采集模块一般通过仪表放大器来采集铂电阻和参考电阻的电压，其输入阻抗约为10GΩ，则导线电阻r上损失的电压可忽略不计。设α为放大器增益漂移误差；A为放大器增益倍数；I
S
为恒流源电流；ΔU为放大器输出失调电压。由于电路元件并非理想，温度测量系统中放大器、有源滤波器及模数转换器等对输入电压U的响应存在非线性的问题，且该非线性会受到电路元件温度T影响，因此引入非线性响应因子β(U,T)，得到方程组：
[0014][0015]其中β(U
t+
,T0)、β(U
t-,T0)、β(U
Ri+
,T0)、β(U
Ri-,T0)分别为电路在T0温度下对铂电阻正电压测量、铂电阻负电压测量、参考电阻R
i
(i＝1,2,
…
n)正电压测量、参考电阻R
i
(i＝1,2,
…
n)负电压测量的非线性响应因子。可推得：
[0016][0017]在实际应用中，由于上式中[(1+α)AE+ΔU][β(U
t+
,T0)-β(U
t-,T0)]及[(1+α)AE+ΔU][β(U
Ri+
,T0)-β(U
Ri-,T0)]项的存在，使得恒流源的长短期漂移、放大器增益漂移、噪声及热电势等因素继续影响着测量结果的不确定度。从原理上分析可得，除非电压采集单元中的放大器、有源滤波器、模数转换器等器件的正负电压响应理想对称，否则这种电路结构仅能削弱上述因素对测温结果的影响，无法完全消除。
[0018]为探本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多参考阻值比率测温结构，包括参考电阻R1、R2……
R
n
、一个铂电阻R
t
、一个双向恒流源I
S
和一个具有测量对象切换功能的电压采集单元，其特征在于：所述的测温结构由参考电阻R1、R2……
R
n
和一个铂电阻R
t
串联组成，n≥2，串联结构的两端导线为A1、A2，A1、A2与双向恒流源I
S
相连；铂电阻的两端再引出两根导线，分别为M
Rt
、N
Rt
；每个参考电阻的两端再引出两根导线，相应地分别为M
R1
、N
R1
、M
R2
、N
R2
……
M
Rn
、N
Rn
；导线M
Rt
和导线M
R1
、M
R2
……
M
Rn
与电压采集单元的正输入端口相连，导线N
Rt
和导线N
R1
、N
R2
……
N
Rn
与电压采集单元的负输入端口相连。2.一种基于权利要求1所述的多参考阻值比率测温结构的测温方法，其特征在于方法如下：首先，将恒流源方向设置为正方向，其电流大小为I
S
，切换电压采集模块的测量对象为铂电阻R
t
，通过导线M
Rt
、N
Rt
测量铂电阻的电压U
t+
，再将恒流源方向设置为负方向，其电流大小为-I
S
，测量铂电阻的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁雷，辛世杰，裴浩东，杨溢，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：