專利名稱：兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種溫度測(cè)量技木，特別涉及一種兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ā?br> 背景技術(shù)：
溫度是目前エ業(yè)生產(chǎn)中最常用的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)之一，因此研究溫度的測(cè)量方法和裝置具有重要意義。實(shí)用的溫度傳感器種類很多，國(guó)外以輻射測(cè)溫為主(占2/3)，國(guó)內(nèi)則多采用熱電偶和熱電阻(占98%)。目前熱電阻的引線主要有ニ線制、三線制和四線制三種方式。ニ線制在熱電阻的兩端各連接ー根導(dǎo)線來(lái)引出電阻信號(hào)的方式叫ニ線制。這種 引線方法很簡(jiǎn)單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻R，電阻R的大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長(zhǎng)度的因素有夫，因此這種引線方式只適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)合。三線制在熱電阻的根部的一端連接ー根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是エ業(yè)過(guò)程控制中的最常用的引線電阻。四線制在熱電阻的根部?jī)啥烁鬟B接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U，再通過(guò)另兩根引線把U引至二次儀表。這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測(cè)。因此，傳統(tǒng)的ニ線制熱電阻阻值測(cè)量方法不僅存在導(dǎo)線電阻對(duì)熱電阻阻值的影響，而且還存在因?yàn)闇囟茸兓璉起的溫漂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)ニ線制溫度測(cè)量精度低和受外界溫度影響大的問(wèn)題，提出了ー種兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，利用電容充放電原理和單片機(jī)功能，巧妙精確計(jì)算出熱電阻值。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，具體包括如下步驟
1)建立采樣電路電路由內(nèi)帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)和恒流源組成，恒流源輸出接兩線制熱電阻，單片機(jī)的A/D端ロ接兩線制熱電阻，在熱電阻兩端并聯(lián)ー個(gè)電容，此電容為采樣電容；
2)采樣設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)間，單片機(jī)輸出控制恒流源開(kāi)關(guān)的端ロ，首先端ロ設(shè)定為1，關(guān)閉恒流源，到放電延時(shí)時(shí)間，端ロ設(shè)定為0，打開(kāi)恒流源，到恒流源電流上升到額定的工作電流時(shí)間，A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始采樣電壓值，把采樣值賦給VI，然后再延時(shí)到充電時(shí)間，A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行第二次采集，把第二次采集值賦給V2，單片機(jī)計(jì)算熱電阻上的電壓V3=V1-V2,電壓除以恒流源輸出恒流值得到熱電阻阻值；
3)電容值校驗(yàn)用一根短接線代替電容，A/D轉(zhuǎn)換器采集到實(shí)際的Vl值，比較步驟2)中的Vl值，如兩值不同，返回步驟I)更換電容容值后，重復(fù)步驟2)采樣，直到兩值相同。所述采樣電容充電時(shí)間小于恒流源的上升到額定的工作電流時(shí)間。所述恒流源內(nèi)單片機(jī)選用MC9S12XS128單片機(jī)，內(nèi)部12位逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，可?yīng)用于エ業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種溫度測(cè)量中，相比普通ニ線制溫度測(cè)量精度大大提高，達(dá)到一定等級(jí)要求，可節(jié)省硬件資源，簡(jiǎn)單、高效、經(jīng)濟(jì)、可靠性高，可應(yīng)用于エ業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種溫度測(cè)量中。



圖I為本發(fā)明兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)電路 圖2為本發(fā)明兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ泻懔髟瓷想娝查g電容短路等效 圖3為本發(fā)明兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ê懔髟瓷想娨欢〞r(shí)間后電容斷路等效 圖4為本發(fā)明兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ǔ绦蛄鞒虉D。
具體實(shí)施例方式兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ腔趩纹瑱C(jī)采集系統(tǒng)，加上ー個(gè)構(gòu)思巧妙的采樣電容，系統(tǒng)使用最簡(jiǎn)單的設(shè)備解決了ー個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。如圖I電路圖，包括由內(nèi)帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)組和恒流源組成，恒流源輸出接兩線制熱電阻給其供電，單片機(jī)的A/D端ロ接兩線制熱電阻，在熱電阻兩端并聯(lián)ー個(gè)電容C，此電容C稱之為采樣電容，電容相當(dāng)于ー個(gè)盛電的容器，它對(duì)電流的阻抗是容性的，因此叫做容抗，容抗的ー個(gè)重要特性就是與當(dāng)前的電容量成正比，電容當(dāng)前的電容量越大，容抗越大，對(duì)電流的阻抗就越大；電容當(dāng)前的電容量越小，容抗越小，對(duì)電流的阻抗就越小。電容在上電前，相當(dāng)于電容量為零，即沒(méi)有帶任何電荷，這時(shí)的容抗也最小，通電瞬間電流很大，幾乎相當(dāng)于短路，在上電一段時(shí)間后，由于電容上已經(jīng)充滿了電荷，這時(shí)的容抗最大，起到了斷路的作用。該方案通過(guò)單片機(jī)的I/O ロ控制恒流源的開(kāi)、關(guān)。當(dāng)打開(kāi)恒流源時(shí)，熱電阻回路上流過(guò)電流，由于剛剛上電，電容C上沒(méi)有帶任何電荷，幾乎相當(dāng)于短路，其等效圖如圖2所示，所以利用A/D采樣到的電壓Vl就是兩個(gè)導(dǎo)線電阻上的電壓之和；在恒流源打開(kāi)一段時(shí)間后，電容上已經(jīng)充滿了電荷，相當(dāng)于斷路，等效圖如圖3所示，這時(shí)再通過(guò)A/D采樣到的電壓V2就是兩個(gè)導(dǎo)線電阻和熱電阻總阻值上的電壓，通過(guò)單片機(jī)可以計(jì)算出熱電阻上的電壓V3，即V3=V2-V1。本發(fā)明采用的是恒流源，計(jì)算得到熱電阻上的電壓也就知道了熱電阻的阻值，這樣就消除了導(dǎo)線電阻對(duì)熱電阻阻值的影響，從而使測(cè)溫系統(tǒng)更加準(zhǔn)確。本發(fā)明程序流程如圖4所示。主程序首先把總線時(shí)鐘設(shè)定，為A/D的轉(zhuǎn)化周期提供時(shí)鐘參考。之后對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化，即對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的工作方式、轉(zhuǎn)換時(shí)間、精度等寄存器的設(shè)定。然后對(duì)單片機(jī)的I/O ロ即PAO ロ設(shè)置為輸出口，并且首先設(shè)定為1，這樣做的目的是關(guān)閉恒流源，之后延時(shí)100ms，讓電容放電到零電荷。電容放完電后，PAO設(shè)定為0，打開(kāi)恒流源。然后再延時(shí)20us，目的是為了讓恒流源上升到額定的工作電流1mA。再進(jìn)行A/D采樣，把采到的值賦給VI，Vl就是電容上電瞬間的短路效應(yīng)測(cè)量得到的導(dǎo)線電阻上的電壓。然后在延時(shí)100ms，讓電容充滿電，使電容形成斷路效應(yīng)，最后再進(jìn)行A/D采樣，把采到的值賦給V2，V2就是導(dǎo)線電阻和熱電阻總電阻上的電壓。這樣，就可以得知熱電阻上的電壓V3=V1-V2。采集數(shù)據(jù)如表1-5，表I當(dāng)C=22uf, t=5. 3us時(shí)Vl的采樣碼值；表2當(dāng)C=22uf,t=10. 6us時(shí)Vl的采樣碼值；表3當(dāng)C=22uf，t=21. 2us時(shí)Vl的采樣碼值；表4當(dāng)C=47uf,t=21. 2us時(shí)Vl的采樣碼值；表5當(dāng)C=680uf，t=31. 8us時(shí)Vl的采樣碼值。表I
viloio|o|o|o|oio|o|o|o
表2 viloio|o|o|o|oio|o|o|o
表3
Vl]5l5|5|5|5|8l5|5|8|5
表4
Vl]4l4|4|4|4|4l5|4|4|4
表5
Vi Iio Iio [10 [ioIio]io]ioiio iio I jo
在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)，用一根短接線代替電容，這樣可以采集到導(dǎo)線電阻上實(shí)際正確的Vl 值，V1=4V。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)電容值為22uf和47uf時(shí)，只有延遲時(shí)間大于21. 2us時(shí)才能采到數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)，恒流源的上升時(shí)間10. 6us〈t〈21. 2us。同時(shí)，電容值C較大時(shí)采到的值比電容值C較小時(shí)采到的值誤差大，所以不能為了獲取比較大的電容充電時(shí)間而選取較大的電容，否則容易產(chǎn)生較大誤差。經(jīng)過(guò)多組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，當(dāng)電容值C=47uf時(shí)系統(tǒng)采到的值是最準(zhǔn)確的，而且電容C充滿電的時(shí)間小于恒流源的上升時(shí)間，測(cè)量的效果很好。所以本系統(tǒng)采用47uf的采樣電容。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，即使用了合適電容值的電容，采到的數(shù)據(jù)值還是存在一定誤差。這是由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣采用的是MC9S12XS128單片機(jī)內(nèi)部自帶的12位逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，采樣的參考電壓為5V，所以最小能檢測(cè)到的模擬量變化值為1/212，也就是說(shuō)本系統(tǒng)的采樣分辨率為5/212=l. 221mV。系統(tǒng)測(cè)量獲得的準(zhǔn)確的碼值Vl=4，但是采樣的碼值有時(shí)候是5，也就是說(shuō)實(shí)際值與準(zhǔn)確值之間相差為A/D的最低一位，即本系統(tǒng)絕對(duì)誤差的最大值為A/D的采樣分辨率。本系統(tǒng)的量程為5000Q。根據(jù)儀表精度計(jì)算公式
儀表精き歷著■璧證獲*100%，因此，本系統(tǒng)精度為
系統(tǒng)精度=^||^*100%=0.024% ,所以，本系統(tǒng)熱電阻測(cè)量的精度就為0. 024%。
5 000Q
權(quán)利要求
1.一種兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，其特征在于，具體包括如下步驟 1)建立采樣電路電路由內(nèi)帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)和恒流源組成，恒流源輸出接兩線制熱電阻，單片機(jī)的A/D端口接兩線制熱電阻，在熱電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容，此電容為采樣電容； 2)采樣設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)間，單片機(jī)輸出控制恒流源開(kāi)關(guān)的端口，首先端口設(shè)定為1，關(guān)閉恒流源，到放電延時(shí)時(shí)間，端口設(shè)定為O，打開(kāi)恒流源，到恒流源電流上升到額定的工作電流時(shí)間，A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始采樣電壓值，把采樣值賦給VI，然后再延時(shí)到充電時(shí)間，A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行第二次采集，把第二次采集值賦給V2，單片機(jī)計(jì)算熱電阻上的電壓V3=V1-V2,電壓除以恒流源輸出恒流值得到熱電阻阻值； 3)電容值校驗(yàn)用一根短接線代替電容，A/D轉(zhuǎn)換器采集到實(shí)際的Vl值，比較步驟2)中的Vl值，如兩值不同，返回步驟I)更換電容容值后，重復(fù)步驟2 )采樣，直到兩值相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，其特征在于，所述采樣電容充電時(shí)間小于恒流源的上升到額定的工作電流時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ涮卣髟谟?，所述恒流源?nèi)單片機(jī)選用MC9S12XS128單片機(jī)，內(nèi)部12位逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兩線制熱電阻測(cè)溫導(dǎo)線電阻自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，利用電容特性，將電容并?lián)在熱電阻兩端，在上電前，相當(dāng)于電容量為零，即沒(méi)有帶任何電荷，這時(shí)的容抗也最小，通電瞬間電流很大，幾乎相當(dāng)于短路，在上電一段時(shí)間后，由于電容上已經(jīng)充滿了電荷，這時(shí)的容抗最大，起到了斷路的作用。采用恒流源進(jìn)行供電，采集電路分別采集電容在充滿電和無(wú)電時(shí)兩線制熱電阻的電壓，并將兩電壓相減，去除兩線阻值引起的電壓降，計(jì)算得到熱電阻的精確值。此方法可應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種溫度測(cè)量中，相比普通二線制溫度測(cè)量精度大大提高，達(dá)到一定等級(jí)要求，可節(jié)省硬件資源，簡(jiǎn)單、高效、經(jīng)濟(jì)、可靠性高，可應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種溫度測(cè)量中。
文檔編號(hào)G01K1/20GK102768078SQ20121022304
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者徐耀良, 王博, 覃榮勛, 趙萬(wàn)劍 申請(qǐng)人:上海電力學(xué)院