基于熱敏材料的溫場驗證儀研制及應用

李海兵,李 峰,薛文艷,劉志強,卓 華

(1.新疆維吾爾自治區計量測試研究院, 新疆 烏魯木齊 830011;2.國家市場監管技術創新中心(中亞能源計量),新疆 烏魯木齊 830011;3.新疆維吾爾自治區計量測試研究院博士后工作站, 新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

溫濕試驗箱能模擬各種溫濕度環境,適用于檢測電器、食品、汽車配件、電子、橡膠、塑料膠、金屬等產品。相較于普通的環境溫濕度設備,真空干燥箱配備專業的真空泵,極限真空度可達0.3 kPa。在真空環境下,密封環境無法強制空氣循環,使得箱內的溫場波動度、均勻度、溫度偏差較普通的鼓風干燥箱有較大差別。真空干燥箱的校準以國家標準《真空干燥箱》(GB/T 29251—2012)和《環境試驗設備溫度、濕度校準規范》(JJF 1101—2019)為參考依據。研究人員測量了真空干燥箱在常壓和真空下的溫場分布。測量結果表明,溫場分布在兩種條件下的均勻性差別較大[1]。真空干燥箱密封性的特殊結構,使得傳統溫濕度巡檢儀外置的傳感器很難滿足校準要求。這給溫場校準裝置和校準方法提出挑戰。

與金屬熱電阻傳感器相比,熱敏陶瓷材料是電阻值隨著溫度變化而顯著變化的一類材料,在一定溫度測量范圍內具有較大電阻溫度系數[2- 3],且具有價格低廉、性能穩定及響應快的優點。熱敏電阻具有較好的穩定性、較快的熱反應時間,可作為溫度計量標準器應用于特殊場景。

近年來,研究人員提出了微控制器結合熱敏電阻的方案,以設計多路溫度采集系統。研究人員在線性化方面采取線性插值方法和二分查找法計算溫度值[4]。研究人員提出高精密測溫的需求,分析了3種基于負溫度系數(negative temperature coefficient,NTC)熱敏電阻的高精密測溫系統(即雙積分式、恒壓式和恒流式),且從測溫原理、系統構成方面分析了系統的優劣[5]。

本文創新性地采用熱敏電阻材料,結合精密測溫系統設計,研制了高精密存儲式溫場驗證儀。該驗證儀在0～150 ℃的溫度范圍內滿足±0.15 ℃的誤差要求。該驗證儀可代替傳統的布線式鉑電阻溫度測量儀,實現真空干燥箱溫場的校準。

1 存儲式溫場驗證儀的研制

存儲式溫場驗證儀由NTC熱敏溫度傳感器及信號激勵單元、精密采集單元、控制處理及存儲單元、系統供電單元組成,由上位機讀取數據。

系統原理如圖1所示。

圖1 系統原理圖

1.1 熱敏陶瓷材料簡介

NTC熱敏電阻相對于熱電偶、熱電阻、量子點集成電路等其他類型傳感器,具有尺寸較小、響應快速的特性。其電阻溫度系數較大,應用于特殊環境的溫度測量。

幾種溫度傳感器的特性如表1所示。

表1 幾種溫度傳感器的特性

熱敏陶瓷材料的阻值溫度曲線及穩定性結果如圖2所示。

由圖2(a)可知,在273～423 K范圍內,熱敏陶瓷材料的電阻顯示出負溫度系數效應。由圖2(b)可知,在整個測試溫度范圍內,lnR與1 000/T的曲線呈線性特征,熱敏材料的電導機制為小極化子跳躍電導模型。由圖2(c)可知,在水三相點,9支熱敏電阻元件的穩定性小于25 mK;在銦三相點,9支熱敏電阻元件的穩定性小于30 mK。以上結果表明,熱敏元件的穩定性滿足設備的設計要求。

圖2 熱敏陶瓷材料的阻值溫度曲線及穩定性結果

穩定性測試是利用水三相點裝置(0.01 ℃)和銦三相點裝置(156.598 5 ℃)進行熱敏電阻穩定性測試。參考標準為一等鉑電阻溫度計。該溫度計的測量范圍為-189.344 2～+419.527 ℃。該溫度計在125 ℃的高精密恒溫箱內穩定1年的時間,測量得到熱老化后溫度的相對變化。本文根據ITS90將標準熱電阻的電阻值換算為溫度值,可得到各校準點熱敏電阻值與溫度值的對應曲線[7]。

同時,根據熱敏電阻線性化的要求,可采用式(1)進行多項式擬合:

a3(lnRT)3a4(lnRT)4

(1)

式中:RT為溫度為T時的熱敏電阻值,Ω;a0、a1、a2、a3、a4為系數;T函數一般由電阻-溫度測量值計算得到。

(2)

式中:a5、a6、a7、a8、a9為系數。

RT函數用于溫度分度表查詢。

1.2 雙向恒流源激勵單元設計

高精度溫度測量的設計方案分為恒壓法、歐姆計和電阻比[8]。恒壓法的電橋結構復雜。歐姆計需高精度恒流源。電阻比測溫原理是在電路中設計一個高精密參考電阻,將其與待測電阻串聯,采用一般恒流源施加激勵電流,通過測量兩端的電壓得到電壓比值,進而計算出待測電阻。該原理采用選取標準級參考電阻、四線制連接的方式減小誤差,從而實現高精度溫度測量。恒流源反向法從原理上減小測量誤差,使得系統測量精度進一步提高。

電阻比測量原理如圖3所示。

圖3 電阻比測量原理圖

1.3 精密溫度采集單元設計

精密溫度采集單元主要包含溫度信號調理和模數(analog-to-digital,A/D)轉換電路。信號調理電路中,差分運算放大器OPA388的輸入連接至參考電阻和熱敏電阻兩端,輸出連接至濾波器。其將差分信號轉換成單端信號,同時將較大阻抗變換成較小阻抗。其選取高精密32位轉化電路ADS1263和凌力爾特公司LTC665參考電壓芯片[9]。

1.4 控制、處理及存儲單元設計

在系統功能滿足的條件下,本文選擇STM32L4系列單片機[10-11]作為處理器。單片機由電源電路、時鐘源電路、復位電路及聯合測試行動小組(joint test action group,JTAG)接口電路組成。本文以+3.3 V電源電壓作為控制器供電、8 MHz晶振作為時鐘源、串行Flash芯片作為數據存儲單元。

1.5 數據采集及存儲流程

存儲式溫場驗證儀研制完成后,經過試驗定型和熱老化,確定的技術參數如下:測溫范圍為0～150 ℃;最大允許誤差為±0.15 ℃。驗證儀的型號為RG-WDYZ,編號分別為2021001、2021002。編號為20560的其他廠家的驗證儀(鉑熱電阻為傳感器)可作為比對樣品。

數據采集及存儲流程如圖4所示[12]。

圖4 數據采集及存儲流程圖

本文進行了驗證儀的校準,經過中國計量科學研究院的校準,驗證了設備的技術指標。

驗證儀各測量點的示值誤差如表2所示。

表2 驗證儀各測量點的示值誤差

由表2可知,以熱敏傳感器為元件的驗證儀的最大誤差為0.13 ℃,而鉑電阻傳感器驗證儀的最大誤差為0.22 ℃。研究結果表明,計量標準器的校準數據滿足技術指標的要求。與鉑電阻為傳感器的測溫儀相比,其技術指標優于國內的同類驗證儀產品。

2 真空干燥箱溫場測試

對于一般干燥箱,熱交換包括熱對流和熱輻射,而真空干燥箱只有熱輻射能量。驗證儀的測試過程如下:配置溫度記錄器(點擊菜單、記錄器、配置鍵),設置60 s為記錄間隔;無報警方式記錄選擇為立即開始記錄。后續測試過程如下:將驗證儀開啟后放到干燥箱內開始記錄溫度,待試驗完畢后將溫度驗證儀取出,在計算機上讀出溫度數據;同時,真空干燥箱連通數字絕壓表進行真空度的記錄和監測。本文測試了大氣壓下和真空下(15 kPa)的溫度分布。在大氣壓下分別測量60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃下的溫度值,并控制干燥箱內的真空度達到設定值,繼續測量溫度點80 ℃和60 ℃下的溫度值,待穩定后讀取驗證儀數據。

真空干燥箱的溫度隨壓力變化測試結果如圖5所示。

圖5 真空干燥箱的溫度隨壓力變化測試結果

本文對干燥箱內的溫度場進行分析。當溫度穩定后,根據測溫數據計算溫度波動度和示值偏差。溫度波動度的計算為:在真空干燥箱溫度穩定后,各測量點在30 min內的實測最高溫和最低溫差值的一半,可加“±”表示。

(3)

式中:Δtf為溫度波動度,℃;timax為測量點i在n次測量中的最高溫度,℃;timin為測量點i在n次測量中的最低溫度,℃。

溫度偏差的計算過程如下:穩定后,取30 min內各測量點的溫度值,選取n次測量中各測量點的最大值與設定點的差值為干燥箱的溫度上偏差;選取n次測量中各測量點的最小值與設定點的差值,作為干燥箱的溫度下偏差。

(4)

式中:Δtmax為溫度上偏差,℃;Δtmin為溫度下偏差,℃;tmax為各測量點規定時間內測量的最高溫度,℃;tmin為各測量點規定時間內測量的最低溫度,℃;tS為設備的設定溫度,℃。

大氣壓和15 kPa下干燥箱溫度參數如表3所示。

表3 大氣壓和15 kPa下干燥箱溫度參數

在大氣壓和15 kPa這2種條件下,真空干燥箱的波動度均較小。大氣壓條件下,真空干燥箱的溫度下偏差為-0.21 ℃,而15 kPa真空條件下溫度下偏差為-5.12 ℃。結果表明,在真空條件下示值偏差變大。究其原因是真空條件下傳熱主要以熱輻射為主,真空干燥箱在設定中須進行修正,才能滿足所需的溫度要求。

3 結論

本文基于高精密溫度采集處理系統的設計,研制了熱敏傳感器的溫度驗證儀。該驗證儀的技術指標優于國內同類產品。該驗證儀對真空干燥箱大氣壓和真空這2種條件進行溫場校準。測試結果表明,2種條件下,真空干燥箱內溫度波動度均不大于0.1 ℃。然而,傳熱機理的變化導致真空干燥箱內真空下溫度示值偏差(-5.12 ℃)較大氣壓下發生較大變化(-0.21 ℃)。本文研究結果為真空干燥箱等密封設備技術規范的制定提供數據支撐。