PT100鉑熱電阻標定的試驗研究

胡琛琛

（江蘇師范大學，江蘇徐州221000）

PT100鉑熱電阻標定的試驗研究

胡琛琛

（江蘇師范大學，江蘇徐州221000）

在降溫條件下對PT100鉑熱電阻和銅-康銅熱電偶標定系數的試驗研究。結果顯示：PT100標定結果為一次線性方程，標定系數k值都近似為1，b值都近似為0，不需要標定可直接使用；銅-康銅熱電偶因標定系數b值較大，必須標定使用。

巖土工程；PT100熱電阻；標定系數

引言

溫度傳感器廣泛應用于科學研究領域和實際工程，目前較多使用的溫度傳感器主要分為兩類：熱電偶和熱電阻。其中，PT100鉑熱電阻（以下簡稱PT100）體積小巧、結構簡單、防水抗震、穩定性好［1］；銅-康銅熱電偶根據熱電勢之差測溫［2］，具有在低溫下工作性能良好，性價比高的特點。PT100和銅-康銅熱電偶較多應用于地鐵隧道等地下空間凍結法施工中凍結體的自動化監測。

PT100鉑熱電阻的電阻值與溫度之間一一對應，兩者存在正比例單調函數關系［3-4］：

由上述鉑電阻的電阻值和溫度函數關系可看出，鉑電阻的電阻值和溫度對應關系式并不是始終一致，在0℃前后發生改變。選用鉑電阻開展地下工程巖土凍結法施工監測時，土由正溫逐漸凍結降為負溫，土中水發生相變后對土的溫度測量需要切換計算公式：先根據溫度選擇計算公式，測量得到電阻值，然后反解公式得到測點溫度，而且式中參數A、B、C在特定情況下仍需要修正［5］，較為繁瑣。Datataker（DT）是一種極為先進的數據采集儀，PT100配合DT使用，DT測得電阻值后可自動根據進行換算直接得到對應溫度，非常方便。本文開展±20℃范圍內降溫條件下，利用DT對PT100鉑電阻和銅-康銅熱電偶進行試驗標定修正和對標定結果進行分析對比。

1　試驗概況

1.1試驗裝置

試驗系統，見圖1，由溫度傳感器、DT數據采集儀、水銀溫度計、冷浴降溫設備、PC端監測軟件等組成。銅-康銅熱電偶，分度號為T型，靈敏度可達到16～38μV/K。PT100鉑電阻，規格為裝配式、二線制，精度達到0.1℃。水銀溫度計精度0.1℃。試驗方案設計見表1。

圖1　DT數據采集儀PT100（左下）、銅-康銅熱電偶（右下）

表1　試驗方案表

1.2試驗過程

試驗過程和方法見下：1）在冷浴降溫設備內裝入酒精溶液作為冷媒，設定降溫設備使酒精溶液溫度保持在20℃；2）將四只PT100和2只銅-康銅熱電偶編號，兩類溫度傳感器探頭緊密綁扎在水銀溫度計測溫端周圈成簇狀，同時測量酒精溶液中心位置同一測溫點的溫度，傳感器及水銀溫度計通過磁力吸座固定；3）啟動冷浴設備，酒精溶液環向循環流動使溶液溫度場各處一致，酒精溫度連續降至器讀數由DT數據采集儀PC端監測軟件實時讀出，每間隔30 s記錄保存一次水銀溫度計和溫度傳感器測溫值。

2　試驗結果及分析

以水銀溫度計作為測溫點的溫度標準值，標定校核溫度傳感器測值。兩者關系可利用MATLAB數學軟件對進行擬合。三組試驗擬合結果表明，兩類傳感器的測溫值和標準值之間的擬合曲線都可以用一次線性方程y=kx+b表示，該數學模型中x表示溫度傳感器測值，y表示溫度標準值，k為擬合斜率，b為擬合截距。

表2　PT100擬合標定系數

表3　銅-康銅熱電偶擬合標定系數

1）兩類溫度傳感器擬合曲線均為一次線性方程，線性相關系數R2均大于0.9，線性回歸情況極好，擬合曲線可作為傳感器標定曲線。

2）通過對表2中數據橫向比較，對于同一只PT100，改變試驗方案，無論在正溫還是在負溫情況下降溫標定，k值和b值改變很小，說明利用DT對PT100進行標定時，可認為標定系數在0℃前后沒有發生改變。

3）通過對表2中數據縱向比較，4只PT100的標定系數近乎相同。

4）綜觀表2，PT100傳感器標定系數k值近似為1，b值十分微小，可以忽略不計，因此PT100在一般使用中不需要標定校核，連接到DT數據采集儀直接讀數。

5）由表3可知，銅-康銅熱電偶線標定系數b值平均為2.21，標定擬合曲線明顯偏離坐標原點，傳感器測值經標定后才能滿足使用要求。

3　結語

1）PT100和銅-康銅熱電偶的線性相關系數都大于0.99，擬合理想，傳感器測值和標準溫度值之間存在較強的線性關系，兩者之間關系可用線性表達式進行描述。

2）相比較傳統電阻標定方法，利用DT標定PT100溫度傳感器的方法求解標定系數方便，較為簡單易行：PT100溫度傳感器使用DT標定時，在0℃前后的標定系數沒有發生改變，正溫和負溫范圍內都具有相同的一次線性標定公式且線性相關系數接近于1；而傳統的電阻標定公式需要在0℃前后需要切換公式，且為二次多項式。

3）不同個體PT100傳感器的標定參數差異極小；由于PT100標定系數k值都近似為1，b值可忽略不計，因此在實際工程中精度要求不高的情形下，PT100連接到DT數據采集儀后可不需要標定，讀數即可認為是測點實際真實值，直接使用。

4）銅-康銅熱電偶雖標定系數b值在較大，如不標定直接使用，傳感器測值比實際真實溫度大2.3℃左右，偏差較大，明顯影響凍結范圍的計算確定，需要經過標定才能投入使用。

［1］于瑩瑩.新型PT100傳感器智能溫度測量系統的研究與開發［J］.電大理工，2010（1）:27-28.

［2］宋德華，高鴻春.低溫熱電偶［M］.北京:中國計量出版社，1992.

［3］吳大軍，楊姍姍，邱成軍.基于最小二乘法的PT100曲線擬合算法的研究［J］.安徽農業科學，2011，39（20）:11 989-11 990.

［4］王生鐵，王志和.鉑電阻溫度傳感器非線性校正的新方法［J］.儀表技術與傳感器技術，1998（2）:40-43.

［5］孫云霞，呂國義.提高溫度傳感器測試精確性的方法［J］.計測技術，2009，29（3）:26-28.

（編輯：王慧芳）

Experimental Research on the Calibration of PT100

Hu Chenchen
（Jiangsu Normal University，Xuzhou Jiangsu 221000）

An aim of our experiments was to determine the influence of temperature on the calibration of PT100 and copper-constancy thermonuclear temperature sensors in cooling process，Results indicate that PT100 can be directly put into use without any calibration，however it is otherwise for copper-constancy thermoplastics.

geotechnical engineering；PT100；calibration coefficients

TU9

A

2095-0748（2015）21-0038-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.17

2015-10-12

胡琛琛（1985—），男，江蘇徐州人，工學碩士，工程師，職稱初級，研究方向：地下空間巖土工程。