CN102620849A - 一种高精度无线测温终端及其测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线测温技术领域，涉及一种高精度无线测温终端及其测温方法，该高精度无线测温终端包括温度采集模块、数据处理模块、无线收发模块和电源，该温度采集模块由热电阻传感器、多路模拟开关、至少两个标准电阻和电容组成，热电阻传感器以及至少两个标准电阻分别与电容组成至少三条RC充放电支路，测温时，依次控制至少三条RC充放电支路进行充放电，记录每条支路的放电时间，通过放电时间的比较以及公式(1)至(3)，计算热电阻传感器的阻值，再通过查表获得被测温点的温度。本发明具有可靠性强及精度高等优点。

Description

一种高精度无线测温终端及其测温方法

技术领域

本发明属于无线测温技术领域，特别涉及一种高精度无线测温终端及其测温方法。

背景技术

无线测温系统相较于传统测温手段，如红外线远距离检测、光纤传感器测温等，具有能够实时在线监测、无需现场布线、检测效率高、节省人力等优点。但无线测温系统必须解决的就是温度检测的高精度、高准确性问题。

传统无线测温方法大多是先将电阻变化通过电阻桥转化为电压信号，在经过一系列滤波和放大处理，送入A/D转换器完成温度采样。但此种方法在环境温度变化时，放大器会产生一定系统误差，准确度不高。另外在高精度要求的前提下，系统需要配备高分辨率的A/D转换器，成本较高。为了减少测温的环节和误差，现采用RC充放电路来测温，省去了A/D转换环节，利用RC充放电测量时间和RC时间常数的换算得出电阻值，从而查表获得被测温点的温度。

原理上通过一个电阻与电容进行充放电即可达到测温目的，但由于充放电时间按指数规律变化，且受到电容精度的影响，很难得到高精度的结果，为解决这一问题，目前采用两个电阻与电容进行充放电，通过电容的充电时间来计算电阻的阻值，但通过电容充电电压公式推导出的线性关系式计算出的阻值与实际值存在很大的误差，使得利用该方法测得的温度精度一般在1％左右，为了达到更高的测温精度，还需要其它的测温方法来解决实际问题。

发明内容

(一)技术问题

本发明克服了上述现有RC充放电测温技术的缺陷，通过对RC充放电电路进行改进，以及对温度传感器阻值的计算公式作出进一步的推导，提高了无线测温的精度和准确度。

(二)技术方案

本发明公开了一种高精度无线测温终端，包括依次相连的温度采集模块、数据处理模块、无线收发模块和电源，该电源还分别与该温度采集模块及该数据处理模块相连，该温度采集模块包括热电阻传感器、多路模拟开关、至少两个标准电阻和电容，该热电阻传感器、每个该标准电阻分别串接于该多路模拟开关和该电容的一端之间，形成至少三条RC充放电支路，该电容的另一端接地，该多路模拟开关还分别与该数据处理单元及该电源相连，该热电阻传感器被置于被测温点表面相连。

进一步，该热电阻传感器为铂电阻传感器。

进一步，该标准电阻的数量为三。

本发明还公开了一种高精度无线测温方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，依次选通至少三条RC充放电支路中的每一条RC充放电支路，基于相同的初始电压和放电终止电压，进行充放电，计算出每一条RC充放电支路的放电时间，

其中，该至少三条RC充放电支路的选通顺序是，先按照标准电阻的阻值增大的顺序，选通每一条标准电阻所在RC充放电支路，再选通热电阻传感器所在RC充放电支路，

步骤2，比较步骤1获得的每一条RC充放电支路的放电时间的大小，通过公式(1)或(2)或(3)，计算热电阻传感器的阻值，

其中，

R_热、t_热分别为热电阻传感器的阻值及其与电容形成的RC充放电支路的放电时间，

R_i、t_i分别为第i个标准电阻的阻值及其与电容形成的RC充放电支路的放电时间，

R_n、t_n分别为第n个标准电阻的阻值及其与电容形成的RC充放电支路的放电时间，

n等于标准电阻的数量，

步骤3，根据热电阻阻值-温度对照表，获得热电阻传感器的阻值对应的温度值，该温度值即为被测温点的温度值。

(三)有益效果

本发明公开的无线测温终端及其测温方法存在以下的有益效果：一是通过无线测温的方法，减少人工测温的误差，且无线测温终端的热电阻传感器直接贴在被测点的表面，可靠性强；二是，利用多路RC充放电电路来测温，避免了传统测量方法中不平衡带来的非线性问题，消除了电容精度对电阻值测量的影响；三是，利用RC充放电电路的放电时间来计算阻值，且温度传感器的阻值计算公式产生的结果与实际结果之间的误差更小，使得测温精度可达到1‰。

附图说明

图1为本发明的高精度无线测温终端的结构示意图。

图2为本发明的温度采集模块的结构示意图。

图3为本发明的高精度无线测温终端的测温方法的流程图。

具体实施方式

本发明的一种高精度无线测温终端及其测温方法，结合附图和实施例详细说明如下。

如图1所示，本发明公开了一种高精度无线测温终端101，包括依次相连的温度采集模块102、数据处理模块103、无线收发模块104和电源105，电源105还分别与温度采集模块102和数据处理模块103相连，其中，温度采集模块102由热电阻传感器201、多路模拟开关202、至少两个标准电阻203和电容204组成，见图2，热电阻传感器201、至少两个标准电阻203分别地串接于多路模拟开关202以及电容204的一端之间，热电阻传感器201及每个标准电阻203分别与电容204形成了至少三条RC充放电支路，电容204的另一端接地，多路模拟开关202还分别与数据处理单元103以及电源105相连，热电阻传感器201被置于被测温点的表面，热电阻传感器201可以为铂电阻传感器；标准电阻203为精密电阻，其数量由测温精度要求确定，当对测温精度要求一般时，可选择使用两个标准电阻，当对测温精度要求较高时，可采用三个标准电阻，原理上标准电阻的数量越多，则测得的温度精度越高，从实际应用角度出发，使用三个标准电阻即可到1‰的测量精度，满足大部分的测温精度要求，而其规格主要依据测量的温度范围而定，一般而言，可以根据厂家的温度-阻值要求，分别地选取满足最低温度和最高温度要求的标准电阻作为第一标准电阻和第n标准电阻(n等于标准电阻的数量)，为了达到更高精度的测温要求，可在该测温范围内选择一些温度点，用满足这些温度点要求的标准电阻来提高测温的精度；数据处理模块103用于控制温度采集模块的至少两个标准电阻203和热电阻传感器201分别与电容204进行充放电，通过放电时间计算热电阻传感器201的阻值，从而得到被测温点的温度值，并控制无线收发模块104将被测点的温度值发送出去或接收外部指令，数据处理单元103可为单片机；电源105用于给温度采集模块102、数据处理模块103以及无线收发模块104供电，可采用高能电池。

如图3所示，本发明还公开了一种基于高精度无线测温终端101的测温方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，数据处理模块103控制温度采集模块102的多路模拟开关202，依次选通至少三条RC充放电支路中的每一条RC充放电支路，基于相同的初始电压V_O和放电终止电压V_C，进行充放电，计算每条RC充放电支路的放电时间，RC充放电支路的放电时间的计算方法为：电容204被充满开始放电之时(电容204的电压为V_O)，启动数据处理模块103的计时器，直到电容204的放电电压低于预设的电压阈值时(电容204的电压为V_C)，停止计时，此时数据处理模块103的计时器的时间即为电容204的放电时间，其中，该至少三条RC充放电支路的选通顺序是，先按照标准电阻的阻值增大的顺序，选通每一条标准电阻所在RC充放电支路，再选通热电阻传感器所在RC充入电支路，这样做可使得标准电阻所在RC充放电支路的放电时间逐渐增大，方便于步骤2的放电时间的比较；

步骤2，将步骤1获得的热电阻传感器201所在RC充放电支路的放电时间与每个标准电阻203所在RC充放电支路的放电时间进行比较，通过下述公式(1)或(2)或(3)，计算出该热电阻传感器201的阻值，具体的实现方法如下：

通过电容的放电电压公式以及本发明的至少三条RC充放电支路共用一个电容204，可推导出热电阻传感器201的阻值、标准电阻203的阻值和电容204的放电时间存在线性关系，即

(公式①)，基于差比定理，可将公式①转换成如下的公式(1)～(3)，

其中，

R_热、t_热分别为热电阻传感器201的阻值及其与电容204形成的RC充放电支路的放电时间，

R、t分别为标准电阻203的阻值及其与电容204形成的RC充放电支路的放电时间，

R_i、t_i分别为第i个标准电阻203的阻值及其与电容204形成的RC充放电支路的放电时间，

R_n、t_n分别为第n个标准电阻203的阻值及其与电容204形成的RC充放电支路的放电时间，

n等于标准电阻203的数量，

当热电阻传感器201所在RC充放电支路的放电时间t_热小于第一标准电阻所在RC充放电支路的放电时间t₁时，由已知的t_热、t₁、R₁、t₂和R₂，通过公式(1)，求出热电阻传感器201的阻值R_热，

当热电阻传感器201所在RC充放电支路的放电时间t_热大于第n标准电阻所在RC充放电支路的放电时间t_n时，由已知的t_热、t_n-1、R_n-1、t_n和R_n，通过公式(3)，求出热电阻传感器201的阻值R_热，

当热电阻传感器201所在RC充放电支路的放电时间t_热大于等于第一标准电阻所在RC充放电支路的放电时间t₁，并且小于等于第n标准电阻所在RC充放电支路的放电时间t_n时，因为n个放电时间将[t₁，t_n]区间分为(n-1)个子区间[t_i，t_i+1]，进一步判断热电阻传感器201所在RC充放电支路的放电时间t_热落于哪一个子区间内，再由已知的t_热、t_i、R_i、t_i+1和R_i+1，通过公式(2)，求出热电阻传感器201的阻值R_热，

步骤3，根据热电阻阻值-温度对照表，查出热电阻传感器201的阻值对应的温度值，而该温度值即为被测温点的温度值，从而完成一次测温的过程。

与现有RC充放电测温技术相比，本发明使用铂电阻作为温度传感器，相比于热敏电阻，其具有电阻温度系数分散性小、精度高、线性度好、灵敏度高、稳定性和耐高压性好等优点。此外，本发明采用放电时间来计算热电阻传感器的阻值，一是因为利用充电时间计算的方法中由于放电不完全导致前后充电起始点差异过大，计算误差较高；二是充电时间计算温度值公式中存在常数项，使得推导计算过程中引入误差，降低了测量精度。第三，本发明利用差比定理，对现有的热电阻传感器的阻值计算公式进行了改进，减小测量误差，提高了测温精度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种高精度无线测温终端，包括依次相连的温度采集模块、数据处理模块、无线收发模块和电源，所述电源还分别与所述温度采集模块以及所述数据处理模块相连，其特征在于，所述温度采集模块包括热电阻传感器、多路模拟开关、至少两个标准电阻和电容，所述热电阻传感器、每个所述标准电阻分别串接于所述多路模拟开关以及所述电容的一端之间，形成至少三条RC充放电支路，所述电容的另一端接地，所述多路模拟开关还分别与所述数据处理单元及所述电源相连，所述热电阻传感器被置于被测温点的表面。

2.根据权利要求1所述的高精度无线测温终端，其特征在于，所述热电阻传感器为铂电阻传感器。

3.根据权利要求1或2之一所述的高精度无线测温终端，其特征在于，所述标准电阻的数量为三。

4.一种高精度无线测温方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，依次选通至少三条RC充放电支路中的每一条所述RC充放电支路，基于相同的初始电压和放电终止电压，进行充放电，计算出每一条所述RC充放电支路的放电时间，

其中，所述至少三条RC充放电支路的选通顺序是，先按标准电阻阻值增大的顺序，选通每一条标准电阻所在RC充放电支路，再选通热电阻传感器所在RC充放电支路，

步骤2，比较步骤1获得的每一条所述RC充放电支路的放电时间的大小，通过公式(1)或(2)或(3)，计算所述热电阻传感器的阻值，

其中，

R_热、t_热分别为所述热电阻传感器的阻值及其与所述电容形成的RC充放电支路的放电时间，

R_i、t_i分别为第i个所述标准电阻的阻值及其与所述电容形成的RC充放电支路的放电时间，

R_n、t_n分别为第n个所述标准电阻的阻值及其与所述电容形成的RC充放电支路的放电时间，

n等于标准电阻的数量，

步骤3，根据热电阻阻值-温度对照表，获得所述热电阻传感器的阻值对应的温度值，所述温度值即为被测温点的温度值。

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