高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計的設計與試驗

王馨梓,金磊,李姣姣,徐震震,許方鵬,王杰文,張開興

高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計的設計與試驗

王馨梓1,金磊1,李姣姣2,徐震震3,許方鵬3,王杰文4,張開興4*

1. 甘肅省計量研究院, 甘肅 蘭州 730070 2. 陜西省計量科學研究院, 陜西 西安 710065 3. 泰安磐然測控科技有限公司, 山東 泰安 271000 4. 山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院, 山東 泰安 271018

針對目前標準溫度計價格昂貴、結構復雜、精度低等問題，本文設計了一種高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計。首先，對鉑電阻數(shù)字溫度計的核心部件進行設計與選型，并對傳感器接線、恒流源電路、比例測溫電路等主要電路進行設計，使溫度計的測溫精度達到±0.05 ℃；然后，對高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計進行長期穩(wěn)定性和溫度沖擊試驗，試驗結果表明，在多種工況下，溫度計測溫精度均可達到±0.05 ℃，年穩(wěn)定性在0.1 ℃內，復現(xiàn)性在0.05 ℃內；最后，對溫度計進行不確定度分析，確定溫度計的不確定度來源并計算出擴展不確定度，最終得出溫度計擴展不確定度約為0.035 ℃，滿足精密測溫需求，可以作為常見工業(yè)溫度計檢定用標準器。

鉑電阻數(shù)字溫度計；一體式結構；穩(wěn)定性試驗；不確定度

隨著科學技術的進步和制作工藝的提高，工業(yè)生產(chǎn)對測溫精度要求越來越高，數(shù)字溫度計越來越多的應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等領域，而大量溫度計的檢定工作成為了新的問題[1]。常見的溫度計檢定需要標準鉑電阻溫度計作為標準器[5]，但是當前標準鉑電阻溫度計存在價格昂貴、結構復雜等問題，難以在實際生產(chǎn)中普及。為此，設計一種結構簡單、價格適中的高精度溫度計檢定用標準器，對我國制造業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義。

近幾年，國內外研究學者和機構對鉑電阻數(shù)字溫度進行了大量的研究[6-8]。美國Fluke公司生產(chǎn)的1551A棒式溫度計體積小巧、攜帶方便，同樣由其生產(chǎn)的Fluke 51-Ⅱ單通道便攜式溫度計測溫精度可達0.3 ℃，不僅具備超寬的測溫量程，而且還配備多種溫度探頭；美國芝測生產(chǎn)的PRTXD-4溫度計測溫范圍覆蓋-50 ℃～200 ℃，測溫精度可達0.1 ℃，整機重量僅450 g，方便攜帶，可應用于多種場所；馬麗萍基于FPGA技術研發(fā)了一套多通道熱電阻測溫系統(tǒng)，解決了一般可編程邏輯件門電路和邏輯資源緊張的問題，并減少了引線對測量結果的影響[9]。但目前有關于鉑電阻溫度計的研究大多采用分體式結構，該結構的各項性能僅能滿足工業(yè)生產(chǎn)中的測量需求，難以滿足作為標準器的使用要求。基于此，本文設計了一種一體式精密鉑電阻數(shù)字溫度計，其測溫精度達到±0.05 ℃，穩(wěn)定性遠超普通工業(yè)溫度計，滿足精密測溫需求，可以作為常見工業(yè)溫度計檢定用標準器。

1 溫度計工作原理與結構設計

1.1 工作原理

鉑電阻溫度計憑借其精度高、響應快的優(yōu)點被廣泛應用于高精度測量領域。鉑電阻數(shù)字溫度計測溫利用鉑電阻優(yōu)異的阻溫特性曲線，即鉑電阻在不同溫度下會表現(xiàn)出特定的電阻值的特點，通過AD轉換器將采集到的模擬信號轉換為可被單片機識別的數(shù)字信號后傳送給單片機，單片機使用內嵌公式[10]將接收到的數(shù)字信號轉換為當前鉑電阻的電阻值，隨后利用內嵌的溫度計分度公式確定被測物體的溫度并將溫度顯示在屏幕上。鉑電阻阻值與溫度的關系如式（1）、（2）所示：

在-200 ℃～0 ℃范圍內：

在0～850 ℃范圍內：

1.2 主要硬件設計

高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計由鉑電阻傳感器、傳感器接頭、恒流源、AD轉換器、處理器、按鍵及屏幕等部分組成，主機尺寸為104 mm×46 mm×30 mm，整機結構如圖1所示。溫度計設計為一體式結構，鉑電阻傳感器直接焊接在PCB板上，提高了溫度計測溫精度和使用安全性。

①鉑電阻傳感器②傳感器接頭③處理器④電源⑤PCB板⑥顯示屏

1.2.1 鉑電阻傳感器設計選型根據(jù)在0 ℃時的電阻值不同可以將鉑電阻傳感器分為PT10、PT25、PT100、PT1000等分度，如：若鉑電阻在0 ℃時電阻值為10 Ω則其分度為PT10。PT10分度的鉑電阻傳感器測溫范圍為-200 ℃～850 ℃，因其鉑電阻絲直徑較大，耐溫性能較好，常被應用于660 ℃以上的溫度測量任務中。PT100鉑電阻傳感器中的鉑電阻絲的直徑僅為PT10的1/10，因此其對溫度變化表現(xiàn)的更為敏感，這就降低了對二次儀表的精度要求，低于660 ℃的溫度測量任務常使用PT100作為溫度傳感器。根據(jù)設計要求，本文選擇PT100作為溫度計傳感器[11]。圖2為PT100溫度傳感器實物圖。

圖2 PT100溫度傳感器實物圖

1.2.2 溫度計屏幕、按鍵設計按鍵和屏幕是人機交互的重要組成部分。考慮到單片機的引腳資源分配問題，溫度計選用矩陣式鍵盤，使用8255芯片將單片機單個串行I/O口擴展為四個并行I/O口，溫度計屏幕選用LCD顯示器以方便用戶更直觀的了解溫度計的當前狀態(tài)。溫度計按鍵、顯示模塊位置分布如圖3(a)所示。

1.2.3傳感器接頭設計傳感器接頭的整體外形采用錐形設計，減少其與傳感器熱交換的面積，尾部面積較大，通過增大散熱面積的方式減少傳入電測部分的熱量。接頭尾部上側有四個凸臺，用于溫度計開關按鍵套的固定，同時將接頭與上蓋固定，防止接頭在使用時晃動；中部鏤空設計用來安放溫度計開關按鍵；下側開雙孔，其中前側孔使用螺栓將接頭與溫度計下側外殼固定，后側孔用來穿過溫度計上下蓋以固定螺栓，這樣即使零件前側受熱熔化或因操作不當導致?lián)p壞，零件也不會從外殼上脫落。傳感器接頭結構如3(b)所示。

圖 3 數(shù)字溫度計正面及鉑電阻傳感器接頭

1.3 溫度計主要電路設計

本文將鉑電阻四線式接線電路、0溫漂恒流源電路和比例測溫電路應用于溫度計，使溫度計的測溫精度達到±0.05 ℃，滿足精密測溫需求。溫度計系統(tǒng)結構圖如圖4所示。

圖 4 數(shù)字溫度計系統(tǒng)結構圖

1.3.1 傳感器四線式接法設計對于測量精度要求較高的溫度測量儀表，通常采用四線式接線法。四線式接線法是將鉑電阻兩端分別接入四根引線，其中兩根作為電源線，另外兩根作為信號線。這種接線方式雖然引線較多，但沒有電橋存在，因此引線電阻產(chǎn)生的誤差只與信號線電阻有關，通過校準可以完全消除引線電阻對測量結果的影響[12]。鉑電阻四線式接線如圖5(a)所示。

1.3.2 高精度恒流源設計恒流源的準確度和穩(wěn)定性與溫度計測溫的精度和穩(wěn)定性息息相關。通過對比最終選擇了LM334作為本文所設計一體式精密鉑電阻數(shù)字溫度計的恒流源芯片，并參考其技術手冊設計了0溫漂恒流源電路，電路圖如圖5(b)所示。

圖 5 電阻四線式接線電路與恒流源電路圖

恒流源輸出電流為：

其中：

對式（3）兩邊關于溫度求導可得：

由比例關系可得：

由式（10）可得：

由式（8）可知，比例電阻測溫法可以消除ADS122X內部增益帶來的誤差，并且可以消除恒流源受環(huán)境影響帶來的誤差，使得最終測得的鉑電阻值準確度只與參考電阻準確度和AD轉換器模數(shù)轉換精度有關。

2 溫度計穩(wěn)定性試驗研究

鉑電阻溫度計的穩(wěn)定性是指溫度計的計量特性保持恒定、不隨時間變化的能力，是衡量溫度計計量性能的重要指標。目前常用驗證鉑電阻溫度計穩(wěn)定性的方法有JJG229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻》中驗證鉑電阻長期穩(wěn)定性的方法和冷熱沖擊試驗[13]，本研究基于以上兩種方法進行大量相關試驗，充分驗證精密鉑電阻溫度計的穩(wěn)定性。

2.1 長期穩(wěn)定性試驗

為驗證高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計的長期穩(wěn)定性，任選六只溫度計，將溫度計依次插入制備好的水三相點瓶，待溫度計示數(shù)穩(wěn)定后循環(huán)讀數(shù)兩次，由于水三相點溫度為0.01 ℃，因此需要將測量結果減去0.01 ℃，得到溫度計在0 ℃點的實際測量溫度；之后對溫度計進行300 ℃連續(xù)672 h退火，對退火后的溫度計再次進行0 ℃檢定，上述試驗步驟重復進行五次。試驗中的溫度計如圖6所示，試驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖 6 試驗中的溫度計

圖 7 溫度計退火前后示值誤差變化趨勢折線圖

由試驗數(shù)據(jù)可以看出，多次退火后，溫度計誤差范圍不超過±0.05 ℃，相鄰兩次退火誤差變化范圍不超過±0.015 ℃，溫度計年穩(wěn)定性約為0.03 ℃，復現(xiàn)性約為0.015 ℃[14]，滿足精密測溫需求。

2.2 溫度沖擊試驗

為盡可能模擬溫度計可能存在的工作情況，針對本精密鉑電阻溫度計設計了高低溫循環(huán)老化試驗，測試溫度計在極限工況下的穩(wěn)定性。任選6支精密鉑電阻數(shù)字溫度計，依次插入熱管恒溫槽進行溫度計上限溫度老化6 h，結束后將溫度計依次插入制冷恒溫槽進行下限溫度老化3 h，結束后將溫度計再次插入熱管恒溫槽進行3 h上限溫度老化。上述試驗每天進行1次，每5 d為一個試驗周期，共進行12個周期，每個周期結束后用水三相點瓶對溫度計進行0 ℃檢定。試驗數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖 8 冷熱沖擊試驗中溫度計示值誤差變化趨勢折線圖

由試驗數(shù)據(jù)可以看出，在冷熱沖擊試驗下的精密鉑電阻溫度計在0 ℃的示值誤差大多在±0.05 ℃以內，年穩(wěn)定性約為0.1 ℃，復現(xiàn)性約為0.05 ℃，滿足精密測溫需求，可替代標準溫度計作為常見工業(yè)溫度計檢定用標準器。

3 不確定度分析

不確定度是指在測量過程中，由于誤差的存在導致測量值相較于真值的偏差程度，是衡量溫度計綜合性能的重要指標[15,16]。一體式鉑電阻數(shù)字溫度計的不確定度主要來自于標準器、恒溫槽、寄生電勢、電測設備、鉑電阻和環(huán)境溫度。

鉑電阻數(shù)字溫度計的各不確定度分量及擴展不確定度如表1所示，精密鉑電阻溫度計的擴展不確定度不超過0.035 ℃，可以滿足精密測溫的需求。

表 1 溫度計標準不確定度分量及擴展不確定度

4 結 論

（1）根據(jù)鉑電阻溫度計測溫原理，對溫度計一體式外形結構和硬件進行設計與選型，通過比例法測溫電路和傳感器四線式接線法，有效減少了引線對測量結果的影響，顯著提高了溫度計的測溫精度和穩(wěn)定性；

（2）設計高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計穩(wěn)定性試驗，分別進行長期穩(wěn)定性試驗和溫度沖擊試驗，試驗結果表明溫度計在多種工況下測溫精度均在±0.05 ℃內，本文設計的高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計可以滿足精密測溫的需求；

（3）對高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計進行不確定度評定，從標準器、自熱效應、環(huán)境溫度、試驗儀器等多個方面分別計算不確定度分量，最后將各不確定度分量合成，合成后的擴展不確定度在0.035 ℃以內。

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High Precision Integrated Platinum Resistance Digital Thermometer

WANG Xin-zi1, JIN Lei1, LI Jiao-jiao2, XU Zhen-zhen3, XU Fang-peng3, WANG Jie-wen4, ZHANG Kai-xing4*

1.730070,2.710065,3.271000,4.271018,

We designed a high precision integrated platinum resistance digital thermometer to solve the problems about complex structure, low accuracy and expensive. First, the core components of platinum resistance digital thermometer are designed and selected, and the main circuits such as sensor wiring, constant current source circuit and proportional temperature measurement circuit are designed, so that the temperature measurement accuracy of the thermometer can reach ±0.05 ℃; then, we tested the long-term stability and temperature shock of the high-precision integrated platinum resistance digital thermometer. The test results showed the temperature measurement accuracy of the thermometer could reach ±0.05 ℃ under various working conditions, the annual stability was within 0.1 ℃, and the repeatability was within 0.05 ℃. Finally, we determined the source of the uncertainty of the thermometer and calculated the extended uncertainty, the extended uncertainty of the thermometer was about 0.035 ℃, this can meet the requirements of precision temperature measurement and can be used as the standard for common industrial thermometer verification.

Platinum resistance digital thermometer; integrated structure; stability test; uncertainty

TB942

A

1000-2324(2023)05-0792-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.05.020

2023-10-31

2023-11-11

山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項目(2021TSGC1369);泰安高新區(qū)加快科技成果轉化促進新動能培育計劃(KJD2020140);泰安市科技創(chuàng)新發(fā)展項目(2021GX015)

王馨梓(1980-),女,碩士,高級工程師,主要從事熱工計量研究工作. E-mail:10013525@qq.com

Author for correspondence. E-mail:kaixingzhang@139.com