一种适用于量产的高精度温度检测装置及其量产方法

技术领域

本发明属于流体检测技术领域，具体涉及一种适用于量产的高精度温度检测装置及其量产方法。

背景技术

我国幅员辽阔，在北方以及南方的一些新建小区在冬季需要供暖，目前国内大部分地区通常采用热网集中供热方式。因此，如何根据用户供热使用情况进行收费，十分重要。热量表以热量作为供热公司与热用户之间收费的计量依据，真正做到“用多少热，交多少钱”，已被用户广泛接受。

热量表是通过检测供暖系统的热水(或热气)的流量，以及供、回水(或供回气体)的温度，计算供暖热量，从而计费。以热系数法为例，热量计算公式为Q＝PLKΔT＝KVΔT，其中Q为供暖热量(Kwh)，P为脉冲数，L为每个脉冲的流量(m

现有技术中热量表的温度检测设计如图4所示，在供水回路和回水回路上分别安装上Pt1000铂电阻。利用电路中虚线框的恒流源提供恒定电流I，根据运放输入端电压虚短、电流虚断的特性，流入运放31脚端电流≈0，而电压V31≈V32≈0(V32接地),其输出电压为V33＝-I*Pt1000，如果保证恒流源提供的电流I恒定为一个值，那么，只要测出铂电阻的电压V33的大小，即可算出Pt1000铂电阻的阻值大小，再根据查询Pt1000铂电阻的阻值与温度的对照表获得被测温度T，例如根据图5-图6对照表，若测出电阻值正好为1088.809欧姆时，直接查表得到温度为22.80℃；而当测出电阻值为1089.1971欧姆时，对应的温度为22.90℃，由于Pt1000的线性度极佳，因此如果当测出阻值在以上两个电阻值之间时，比如1008.886欧姆时，那么可根据22.80-22.90℃之间阻值的线性关系，通过线性差分计算得到此时的温度为22.82℃，很明显，上述方法的精度受恒流源提供的电流I的精度影响，实用中，虚线框中的恒流源通常由稳压芯片和电阻构成，现有技术为保证输出更高的精度，需要人工挑选如0.1％的精密电阻或者通过滑动变阻器R31调整来实现；另外热量表要求检测温度范围为0-100℃，对应Pt1000铂电阻值在1000—1385.055欧姆之间变动，如果恒流源提供的电流I为1mA,此时电压V33变化范围为1V-1.385055V，为了尽量能进行满幅度AD采样，电路设计为两级放大，第一级尽可能去除1v的偏置电压，使得在第一级放大V33变化范围为0V-0.385055V，再通过第二级放大到尽可能的幅度进行后续的AD采样。后续的AD采样范围比如是2.5V,那么就在第二级放大约2.5/0.385055≈6.49倍，在开发样机或者小规模生产时，可以通过人工挑选、或调整电阻值，比如调整滑动变阻器R32和R35的阻值以获得精确电阻大小，以使温度检测达到高精度，然而在工厂大批量生产时，还是采用这种人工重新调整、校准的方式，对校准人员的技术要求极高，且生产效率底，工厂生产成本很高，这也是以往很多种测温方法，在少量样机生产时能达到高精度，，然而工厂大批量生产时却很难被实现的原因。而且如果要实现温度的高精度测量，对电路的模数转换芯片AD的要求很高，在0-100℃范围内达到0.01℃的分辨率，即分辨率要达到1/10000，同时考虑到电路中其他误差造成的影响，系统至少需要14位以上的A/D转换芯片。以这种方法生产出来的热量表，元器件成本会很高，比如0.1％精密电阻的价格就比常用的1％精度的金属膜电阻价格高出5-6倍；而且单独外置的AD芯片价格昂贵，而带自带AD采样功能的单片机价格也高于普通单片机，这就大大提高了工厂的生产成本。

针对以上技术问题，故需对其进行改进。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种适用于量产的高精度温度检测装置及其量产方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种适用于量产的高精度温度检测装置，包括Pt1000铂电阻、稳压电路、第一运放、第二运放构成的两级放大、中央处理器，所述稳压电路输出连接第一电阻构成恒流源，所述第一运放的反相输入端连接恒流源输出，所述第一运放的同相输入端通过第二电阻连接输入参考电压，所述Pt1000铂电阻连接第一运放的输出端和反相输出端构成负反馈，所述参考电压由稳压电路输出经过第一分压电阻和第二分压电阻分压后，连接由第三运放构成的电压跟随器输出获得；所述第二运放的反相输入端通过第三电阻连接第一运放的输出端，所述第二运放的同相输入端通过第四电阻连接输入参考电压，所述第二运放的输出端和反相输入端连接有第五电阻，所述第五电阻通过第六电阻连接稳压电路输出；所述第二运放的输出端输出两级放大信号至中央处理器。

作为优选方案，所述高精度温度检测装置还设置有第二稳压电路，所述中央处理器由第二稳压电路供电。

作为优选方案，所述稳压电路由稳压芯片、滤波电容构成。

作为优选方案，所述中央处理器内置比较器，通过外接电阻、电容构成高精度单斜率AD。

作为优选方案，所述中央处理器选择MSP430F413芯片；MSP430F413芯片内置比较器、集成了段码液晶的驱动功能、价格低廉，是作为本发明应用热量表的最佳方案，但本发明应用到其他测温场合，还可选其它内置比较器的单片机芯片。

作为优选方案，所述第一电阻、第三电阻、第五电阻、第六电阻选择金属膜电阻。

作为优选方案，所述高精度温度检测装置还设置有数字控制模拟开关，所述两级放大信号通过数字控制模拟开关输出至中央处理器。

一种适用于量产的高精度温度检测装置的量产方法，包括步骤：

S1，完成除Pt1000铂电阻以外的高精度温度检测装置的元器件的组装焊接；

S2，在Pt1000铂电阻位置处接入计量电阻箱，在高精度温度检测装置所设定的量程温度范围内，对应Pt1000铂电阻的温度变化范围，选取大于等于3点的不同温度下的电阻值，通过计量电阻箱依次模拟该电阻值进行高精度温度检测装置的精度误差校正；

所述精度误差校正由中央处理器或上位机完成，校正计算方式为：

根据负反馈运放“虚短、虚断”的特性，有：

V9≈V10＝Vref＝VCC/2 (1)

(V8-V9)/Rpt_2＝(V9-VCC)/R21 (2)

其中，V9为第一运放反相输入端的电压，V10为第一运放同相输入端的电压，Vref为参考电压，VCC为稳压电路输出电压，V8为第一运放输出端的电压，Rpt_2为Pt1000铂电阻的电阻值，R21为第一电阻的电阻值，由公式(1)(2)得：

其后，再经一级的反相放大，得到第二运放输出端的电压V7，对于V7有：

V6≈V5＝Vref＝VCC/2 (5)

其中，V6为第二运放反相输入端的电压，V5为第二运放同相输入端的电压，R23为第三电阻的电阻值，R25为第五电阻的电阻值，R26为第六电阻的电阻值,根据公式(4)(5)得

由于电压VCC已知，根据公式(6)，可得到V7与Rpt_2的关系与电阻R21、R23、R25、R26的阻值有关；当批量生产时，由于使用的电阻会因为有精度的限制，导致R21、R23、R25、R26阻值有所偏差，使V7产生微小的误差，从而不能满足高精度场合的应用需求；我们注意到，虽然实际电路上的R21、R23、R25、R26的阻值会因精度的问题而每次各不相同，但是当在生产组装焊接后，其误差的数值就已经确定了、而不会改变，因此可以通过计量电阻箱模拟改变Rpt_2阻值、测量V7的值来进行校正；

根据公式(6)，我们以分段线性的方式来等效模拟V7与Rpt_2的关系为：

V7≈a*Rpt_2+b (7)

其中，参数a、b会随电阻R21、R23、R25、R26的误差具体数值而改变；

以热能表的应用为例，我们可以在0-100℃范围内通过多点测量进行计算，获得a和b的大小来提高V7的精度；比如3点校正时，考虑到校正点应尽可能平均分配在0-100℃内、且计量方便、尽量少改动校正电阻值的问题，选取了3个不同的电阻值，分别为1080.000Ω对应20.53℃、1180.000Ω对应46.37℃、1280.000Ω对应72.41℃；这样经校正后得到V7与Rpt_2的关系为

V7＝a1*Rpt_2+b1(0-46.37℃范围)

V7＝a2*Rpt_2+b2 (46.37-100℃范围) (8)

同理如果用4点测量，就可得到三条直线参数；很明显，测的点越多，精确度越高，但生产过程越复杂、生产成本越高；可根据精度和成本要求，自由选择；

S3.校正完成，接入Pt1000铂电阻完成制造。

作为优选方案，所述步骤S2还包括，接入或集成显示屏显示校正的流程提示。

作为优选方案，所述高精度温度检测装置所设定的量程温度为0-100℃时，选取的不同温度下的电阻值固定为：1080.000Ω对应20.53℃、1180.000Ω对应46.37℃、1280.000Ω对应72.41℃。

本发明提供一种适用于量产的高精度温度检测装置及其量产方法，与现有技术相比，有益效果是：

1.电路中不需要采用高精密电阻，只需普通的金属膜电阻即可，在生产过程中，系统软件通过在0-100℃范围内选取3点或者更多点进行误差校正，从而达到高精度要求，降低元器件成本；

2.不需要外置AD芯片，只需要中央处理器的单片机内置比较器和外接一个电阻和电容，利用类似于Σ—Δ的A/D转换技术，达到匹配高精度需求的16位以上A/D转换精度，降低元器件成本；

3.生产无需人工手动调整校准精度，极大的提高了生产效率，成本极低，且生产校验非常方便，适应大批量生产的要求。

附图说明

图1是本发明实施例一的适用于量产的高精度温度检测装置应用于热量表时的整体结构示意图；

图2是本发明实施例一的适用于量产的高精度温度检测装置的电路示意图；

图3是本发明实施例一的适用于量产的高精度温度检测装置的Σ-Δ的A/D转换技术原理示意图；

图4是本发明背景技术中引用的现有技术中热量表的温度检测设计示意图；

图5是本发明的Pt1000铂电阻在0-50℃范围的阻值与温度对照表的示意图；

图6是本发明的Pt1000铂电阻51-100℃范围的阻值与温度对照表的示意图；

其中：Rpt_1、Rpt_2.Pt1000铂电阻；R21.第一电阻；R22.第二电阻；R23.第三电阻；R24.第四电阻；R25.第五电阻；R26.第六电阻；U2C.第一运放；U2B.第二运放；U1A.第三运放；R61.第一分压电阻；R62.第二分压电阻；C91、C92、C63、C61.滤波电容；R51.中央处理器外接电阻；C51.中央处理器外接电容；U3.数字控制模拟开关；U4.基准稳压芯片。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例一：

本发明的适用于量产的高精度温度检测装置适用于大批量生产场合下，以较低的成本实现高精度的温度测量，典型的利用场合就是热量表。

如图1-3所示，热量表的流量的参数获取由机械式、电磁式、超声式等任意方式的流量计测量获得，并输入中央处理器；热量表的温度检测部分通常包括进水路、回水路的检测，设计Pt1000铂电阻Rpt_1、Rpt_2为适配测量进、回水回路的Pt1000铂电阻，其阻值会随着温度的变化而变化，电路设计流过Pt1000铂电阻Rpt_1、Rpt_2的电流为恒值，只需根据获得的电压大小、计算出当前电阻值的大小，再查询Pt1000铂电阻的阻值与温度对照表即可得到被测温度T。

具体的，其装置构成以Pt1000铂电阻Rpt_2为例，包括稳压电路、第一运放U2C、第二运U2B放构成的两级放大、中央处理器，稳压电路输出连接第一电阻构成恒流源，第一运放U2C的反相输入端连接恒流源输出，第一运放U2C的同相输入端通过第二电阻R22连接输入参考电压，Pt1000铂电阻Rpt_2连接第一运放U2C的输出端和反相输出端构成负反馈，参考电压由稳压电路输出经过第一分压电阻R61和第二分压电阻R62分压后，连接由第三运放U1A构成的电压跟随器输出获得；第二运放U2B的反相输入端通过第三电阻R23连接第一运放U2C的输出端，第二运放U2B的同相输入端通过第四电阻R24连接输入参考电压，所述第二运放U2B的输出端和反相输入端连接有第五电阻R25，所述第五电阻R25通过第六电阻R26连接稳压电路输出；第二运放U2B的输出端输出最终的两级放大信号由中央处理器进行数据采集AD转换。

Pt1000铂电阻Rpt_1所在部分的构成方式、原理与Pt1000铂电阻Rpt_2所在部分相同，这里设置数字控制模拟开关U3，该两路的最终两级放大信后均输出至数字控制模拟开关U3，通过数字控制模拟开关U3选择具体需要的采样通道后送入中央处理器进行数据采集AD转换，避免信号的互相干扰，影响数据精度。数字控制模拟开关U3可选择4051、4052等芯片。

电路原理：

根据负反馈虚断的特性，流入第一运放U2C输入端9、10脚的电流≈0，近似程度与运放的开环增益等参数有关，本装置选择运放TLV2324，所以流过Pt1000铂电阻Rpt_2的电流近似等于VCC/R21，因此要使得流过Pt1000铂电阻Rpt_2的电流恒定，就必须保证电压VCC和第一电阻R21的精度。

电压VCC由稳压电路提供，稳压电路设计由基准稳压芯片U4构成，供电电池电压Vbat经过基准稳压芯片U4，得到一个稳定的电压VCC，由于单电源供电，为保证经负反馈后的电压在0-VCC范围内，参考电压Vref是由VCC经过第一分压电阻R61、第二分压电阻R62分压并连接上结成电压跟随器的第三运放U1A，其值近似于VCC/2，这样可以使得第三运放U1A的输出电压在VCC/2基线上下波动；其中，基准稳压芯片U4可选择RE5RL30A芯片，其电压输出精度为1.5％；基准稳压芯片U4可以由其他具有稳压功能的电路设计代替,优选的，在基准稳压芯片U4、第三运放端U1A设计滤波电容C91、C92、C63、C61进一步提升稳定性。

根据负反馈运放“虚短、虚断”的特性，有：

V9≈V10＝Vref＝VCC/2 (1)

(V8-V9)/Rpt_2＝(V9-VCC)/R21 (2)

其中，V9为第一运放U2C反相输入端的电压，V10为第一运放U2C同相输入端的电压，Vref为参考电压，VCC为稳压电路输出电压，V8为第一运放U2C输出端的电压，Rpt_2为Pt1000铂电阻的电阻值，R21为第一电阻的电阻值，由公式(1)(2)得：

其后，再经一级的反相放大，得到第二运放U2B输出端的电压V7，对于V7有：

V6≈V5＝Vref＝VCC/2 (5)

其中，V6为第二运放U2B反相输入端的电压，V5为第二运放U2B同相输入端的电压，R23为第三电阻的电阻值，R25为第五电阻的电阻值，R26为第六电阻的电阻值,根据公式(4)(5)得

根据公式(6)，可知第一电阻R21、第三电阻R23、第五电阻R25、第六电阻R26的精度误差会导致V7有所偏差，在生产组装焊接后，其误差的数值已确定，因此，可得V7与Rpt_2的关系为

V7≈a*Rpt_2+b (7)

其中，a、b为误差计算的校正值，随R21、R23、R25、R26的具体数值而改变，通过计量电阻箱模拟Pt1000铂电阻Rpt_2的阻值，选取大于等于3点的不同温度下的电阻值进行计算，即可获得a和b的大小。优选的，为了校正方便，设计接入或集成显示屏显示校正的流程提示，如采用集成的段码式液晶屏，同时校正的启动可以设计为初始自启动，或者设计集成按键校正功能，通过按键启动校正。

在高精度的需求下，如果根据通常的方法，恒流源内匹配的电阻必须选择高精密度的电阻，同时基准稳压芯片也必须选择高精密稳压电压，这样才能保证温度测量达到高精度的要求，但这样大大提高了成本，而本申请避免了对稳压电路精度、匹配的电阻的精度要求，匹配电阻可以选择普通的金属膜电阻精度1％，所有的精度误差通过设计，在量程范围温度内选取3点或者更多点进行计算误差校正，从而满足高精度要求的同时，极大的降低了元器件成本。

进一步的，获得电压信号V7后，为达到更高精度要求，比如0.01℃的温度分辨率，同时考虑到电路的其他误差，通常需要至少14位以上模数转换芯片。如果系统采用外置的AD芯片或者选用较贵的、内置有AD功能单片机，又会增加不少的成本，考虑到测量的温度随时间的变化率并不高，因此本实施例设计选用内置比较器、较便宜的单片机，通过外接一个电阻和一个电容构成高精度单斜率AD，利用类似于Σ-Δ的A/D转换技术，达到16位以上的精度。本实施事例中，采用MSP430F413，MSP430F413芯片内置比较器、集成了段码液晶的驱动功能，其价格低廉，是作为本发明应用热量表的最佳方案，但本发明应用到其他测温场合，还可选其它内置比较器的单片机芯片，比如MSP430F4481、MSP430F4491、MSP430F4351、MSP430F4361、MSP430F4371等等。Σ-Δ的A/D转换技术已广泛用于比例式测量和绝对值测量中，本装置的实现原理如图3，简述如下，测量时P1.7脚接被测电压，P1.5口输出一串占空比为50％，脉宽为Tp的脉冲。当电容充电到Vout＝Vin时，比较器输出将翻转，这一过程称为预充电。此后为维持Vout＝Vin，P1.5继续输出脉冲。程序开始对总的输出脉冲数N和输出为高的脉冲数n进行计数。P1.5口根据比较器的输出状态来决定是输出高还是低电平，如果比较器输出为低，表示Vout

进一步的，为中央处理器设置单独供电的第二稳压电路，防止恒流源与中央处理器之间的相互干扰，进一步提升温度检测装置的精度。

综上，本实施例的适用于量产的高精度温度检测装置，避免了对稳压电路精度、匹配电阻的精度要求，不需要采用高精密电阻，比如0.1％的精密电阻，只需普通的金属膜电阻即可，能够满足高精度的需求，同时降低成本、减少元器件、适应大批量生产的要求，同时只需选择内置精密比较器的单片机，利用类似于Σ—Δ的A/D转换技术，达到14位以上的A/D转换精度，满足高精度需要。

实施例二：

本实施例提供适用于量产的高精度温度检测装置的量产方法，避免了人工去进行手动调整校准的过程，提高生产效率，包括步骤：

S1，完成除Pt1000铂电阻以外的高精度温度检测装置的元器件的组装焊接；

S2，在Pt1000铂电阻位置处接入计量电阻箱，在高精度温度检测装置所设定的量程温度范围内，对应Pt1000铂电阻的温度变化范围，选取大于等于3点的不同温度下的电阻值，通过计量电阻箱依次模拟该电阻值进行高精度温度检测装置的精度误差校正；

所述精度误差校正由中央处理器或上位机完成，校正计算方式为：

根据负反馈运放“虚短、虚断”的特性，有：

V9≈V10＝Vref＝VCC/2 (1)

(V8-V9)/Rpt_2＝(V9-VCC)/R21 (2)

其中，V9为第一运放反相输入端的电压，V10为第一运放同相输入端的电压，Vref为参考电压，VCC为稳压电路输出电压，V8为第一运放输出端的电压，Rpt_2为Pt1000铂电阻的电阻值，R21为第一电阻的电阻值，由公式(1)(2)得：

其后，再经一级的反相放大，得到第二运放输出端的电压V7，对于V7有：

V6≈V5＝Vref＝VCC/2 (5)

其中，V6为第二运放反相输入端的电压，V5为第二运放同相输入端的电压，R23为第三电阻的电阻值，R25为第五电阻的电阻值，R26为第六电阻的电阻值,根据公式(4)(5)得

根据公式(6)，可知第一电阻、第三电阻、第五电阻、第六电阻的精度误差会导致V7有所偏差，在生产组装焊接后，其误差的数值已确定，因此，可得V7与Rpt_2的关系为

V7≈a*Rpt_2+b (7)

其中，a、b为误差计算的校正值，随R21、R23、R25、R26的具体数值而改变，通过计量电阻箱模拟Rpt_2的阻值，选取大于等于3点的不同温度下的电阻值进行计算，获得a和b的大小。以在预设量程范围内选取3点为例，可以用两条线性的直线参数为a1和b1，和a2和b2的模拟出V7的大小，同理如果用4点测量，就可得到三条直线参数，很明显，测的点越多，精确度越高，但生产过程越复杂、生产成本越高，可根据精度和成本要求，自由选择。S3.校正完成，接入Pt1000铂电阻完成制造。

其中，计量电阻箱可由工人或机器在接入时，按要求拨到指定电阻值处，相比传统生产线需要高技术的校准员进行手动调整滑动变阻器的阻值以匹配获得精确电阻大小，显然降低了对生产线上的操作技术要求，直接避免了人工去进行手动调整校准的过程；优选的，可以预备与选取电阻值点数量相匹配的数量，比如选取3个点的情况下，准备3个计量电阻箱，提前调整至目标电阻值，生产线工人或者机器只需按步骤接进行接入、等待完成校准、完成校准后更换的步骤，可以避免生产线上的重复调整，进一步降低生产技术要求，提高生产效率，节约生产成本，实现量产。优选的，在Pt1000铂电阻接入端设计快速连接结构，比如快插接口，便适配于计量电阻箱的接入、拆除。

通过接入或集成显示屏显示校正的流程提示，比如，以已集成段码式液晶的热能表应用为例，热能表量程范围为0-100℃，本实施例为了便于达到了更高精度要求，同时减少操作量，选择了对应温度近似平均分布的3点进行校正，选取的不同温度下的电阻值固定为：1080.000Ω对应20.53℃、1180.000Ω对应46.37℃、1280.000Ω对应72.41℃，这样就可以在0-100℃范围内，用两条线性的直线参数为a1和b1，和a2和b2的模拟出V7的大小，其中0-46.37℃，用参数a1和b1；46.37-100℃用参数a2和b2，同时，该阻值下调节计量电阻箱时，只需要调动百位的电阻值即可满足要求，在单计量电阻箱时操作也及其简便。优选的，为了更高精度的需求，校表时，阻值必须逐渐按顺序由低到高进行。在对应装置的元器件焊接完毕后，通电程序开始，设计出现r2提示符，首先将Rpt_2一路接在计量电阻箱上，阻值调为1080.000Ω，然后按下集成设计的校表按键，程序开始运行，现在是第一个测试点，液晶上设计显示1，由于我们采样多个点，然后再取均值，以减小误差，因此要等待一会，才能进行第二个点的测试；当液晶显示出P1时，设计代表第一点采样完成，均值已计算出，可以进行第二点的测试；将电阻箱调至1180.000Ω，按下校表键，对第二点采样；第二点的步骤同上，当液晶显示P2时；就可以进行第三点的测试了，以此类推；当第三点测完后，液晶设计出现r1提示符，此时将Rpt_1接到电阻箱上，阻值调为1080.000Ω，重复RPT2的步骤，测试完后，获得a和b的大小完成校准，设计液晶显示校准完成。

综上，本实施例的适用于量产的高精度温度检测装置的量产方法，适配量产高精度温度检测装置，无需人工手动调整校准精度，极大的提高了生产效率，成本极低且生产校验非常方便。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。