高精密一体式铂电阻数字温度计的设计与试验.pdf

山东农业大学学报(自然科学版),2023,54(5):792-798VOL.54 NO.5 2023Journal of ShandongAgricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2023.05.020高精密一体式铂电阻数字温度计的设计与试验高精密一体式铂电阻数字温度计的设计与试验王馨梓1,金 磊1,李姣姣2,徐震震3,许方鹏3,王杰文4,张开兴4*1.甘肃省计量研究院,甘肃 兰州 7300702.陕西省计量科学研究院,陕西 西安 7100653.泰安磐然测控科技有限公司,山东 泰安 2710004.山东农业大学机械与电子工程学院,山东 泰安 271018摘摘 要要:针对目前标准温度计价格昂贵、结构复杂、精度低等问题，本文设计了一种高精密一体式铂电阻数字温度计。首先，对铂电阻数字温度计的核心部件进行设计与选型，并对传感器接线、恒流源电路、比例测温电路等主要电路进行设计，使温度计的测温精度达到0.05；然后，对高精密一体式铂电阻数字温度计进行长期稳定性和温度冲击试验，试验结果表明，在多种工况下，温度计测温精度均可达到0.05，年稳定性在 0.1 内，复现性在 0.05 内；最后，对温度计进行不确定度分析，确定温度计的不确定度来源并计算出扩展不确定度，最终得出温度计扩展不确定度约为 0.035，满足精密测温需求，可以作为常见工业温度计检定用标准器。关键词关键词:铂电阻数字温度计；一体式结构；稳定性试验；不确定度中图法分类号中图法分类号:TB942文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1000-2324(2023)05-0792-07High Precision Integrated Platinum Resistance DigitalThermometerWANG Xin-zi1,JIN Lei1,LI Jiao-jiao2,XU Zhen-zhen3,XU Fang-peng3,WANG Jie-wen4,ZHANG Kai-xing4*1.Gansu Measure Graduate School,Lanzhou 730070,China2.Shanxi Institute of Metrology Science,Xi an 710065,China3.Panran Measurement and Calibration Technology Co.,Ltd.,Tai an 271000,China4.College of Mechanical and Electronic Engineering/Shandong Agricultural University,Taian 271018,ChinaAbstract:We designed a high precision integrated platinum resistance digital thermometer to solve the problems aboutcomplex structure,low accuracy and expensive.First,the core components of platinum resistance digital thermometer aredesigned and selected,and the main circuits such as sensor wiring,constant current source circuit and proportionaltemperature measurement circuit are designed,so that the temperature measurement accuracy of the thermometer can reach0.05;then,we tested the long-term stability and temperature shock of the high-precision integrated platinum resistancedigital 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 extendeduncertainty of the thermometer was about 0.035,this can meet the requirements of precision temperature measurementand can be used as the standard for common industrial thermometer verification.Keywords:Platinum resistance digital thermometer;integrated structure;stability test;uncertainty随着科学技术的进步和制作工艺的提高，工业生产对测温精度要求越来越高，数字温度计越来越多的应用于工业、农业、生活等领域，而大量温度计的检定工作成为了新的问题1。常见的温度计检定需要标准铂电阻温度计作为标准器5，但是当前标准铂电阻温度计存在价格昂贵、结构复杂等问题，难以在实际生产中普及。为此，设计一种结构简单、价格适中的高精度温度计检定用标准器，对我国制造业发展具有非常重要的意义。近几年，国内外研究学者和机构对铂电阻数字温度进行了大量的研究6-8。美国 Fluke 公司生产的 1551A 棒式温度计体积小巧、携带方便，同样由其生产的 Fluke 51-单通道便携式温度计测温精收稿日期收稿日期:2023-10-31修回日期修回日期:2023-11-11基金项目基金项目:山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目(2021TSGC1369);泰安高新区加快科技成果转化促进新动能培育计划(KJD2020140);泰安市科技创新发展项目(2021GX015)第第 1 作者简介作者简介:王馨梓(1980-),女,硕士,高级工程师,主要从事热工计量研究工作.E-mail:*通讯作者通讯作者:Author for correspondence.E-mail:第 5 期王馨梓等:高精密一体式铂电阻数字温度计的设计与试验793度可达 0.3，不仅具备超宽的测温量程，而且还配备多种温度探头；美国芝测生产的 PRTXD-4 温度计测温范围覆盖-50 200，测温精度可达 0.1，整机重量仅 450 g，方便携带，可应用于多种场所；马丽萍基于 FPGA 技术研发了一套多通道热电阻测温系统，解决了一般可编程逻辑件门电路和逻辑资源紧张的问题，并减少了引线对测量结果的影响9。但目前有关于铂电阻温度计的研究大多采用分体式结构，该结构的各项性能仅能满足工业生产中的测量需求，难以满足作为标准器的使用要求。基于此，本文设计了一种一体式精密铂电阻数字温度计，其测温精度达到0.05，稳定性远超普通工业温度计，满足精密测温需求，可以作为常见工业温度计检定用标准器。1温度计工作原理与结构设计温度计工作原理与结构设计1.1工作原理工作原理铂电阻温度计凭借其精度高、响应快的优点被广泛应用于高精度测量领域。铂电阻数字温度计测温利用铂电阻优异的阻温特性曲线，即铂电阻在不同温度下会表现出特定的电阻值的特点，通过AD 转换器将采集到的模拟信号转换为可被单片机识别的数字信号后传送给单片机，单片机使用内嵌公式10将接收到的数字信号转换为当前铂电阻的电阻值，随后利用内嵌的温度计分度公式确定被测物体的温度并将温度显示在屏幕上。铂电阻阻值与温度的关系如式（1）、（2）所示：在-200 0 范围内：2301100IttWR RAtBtC tt(1)在 0850 范围内：201IttWR RAtBt(2)1.2主要硬件设计主要硬件设计高精密一体式铂电阻数字温度计由铂电阻传感器、传感器接头、恒流源、AD 转换器、处理器、按键及屏幕等部分组成，主机尺寸为 104 mm46 mm30 mm，整机结构如图 1 所示。温度计设计为一体式结构，铂电阻传感器直接焊接在 PCB 板上，提高了温度计测温精度和使用安全性。铂电阻传感器 传感器接头 处理器 电源 PCB 板 显示屏图图 1 铂电阻数字温度计结构铂电阻数字温度计结构图图Fig.1 Structure diagram of platinum resistance digital thermometer1.2.1 铂电阻传感器设计选型 根据在 0 时的电阻值不同可以将铂电阻传感器分为 PT10、PT25、PT100、PT1000 等分度，如：若铂电阻在 0 时电阻值为 10 则其分度为 PT10。PT10 分度的铂电阻传感器测温范围为-200 850，因其铂电阻丝直径较大，耐温性能较好，常被应用于 660 以上的温度测量任务中。PT100 铂电阻传感器中的铂电阻丝的直径仅为 PT10 的 1/10，因此其对温度变化表现的更为敏感，这就降低了对二次仪表的精度要求，低于 660 的温度测量任务常使用 PT100作为温度传感器。根据设计要求，本文选择 PT100 作为温度计传感器11。图 2 为 PT100 温度传感器实物图。794山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷图图 2 PT100 温度传感器实物图温度传感器实物图Fig.2 Physical drawing of the PT100 temperature sensor1.2.2 温度计屏幕、按键设计 按键和屏幕是人机交互的重要组成部分。考虑到单片机的引脚资源分配问题，温度计选用矩阵式键盘，使用 8255 芯片将单片机单个串行 I/O 口扩展为四个并行 I/O 口，温度计屏幕选用 LCD 显示器以方便用户更直观的了解温度计的当前状态。温度计按键、显示模块位置分布如图 3(a)所示。1.2.3 传感器接头设计 传感器接头的整体外形采用锥形设计，减少其与传感器热交换的面积，尾部面积较大，通过增大散热面积的方式减少传入电测部分的热量。接头尾部上侧有四个凸台，用于温度计开关按键套的固定，同时将接头与上盖固定，防止接头在使用时晃动；中部镂空设计用来安放温度计开关按键；下侧开双孔，其中前侧孔使用螺栓将接头与温度计下侧外壳固定，后侧孔用来穿过温度计上下盖以固定螺栓，这样即使零件前侧受热熔化或因操作不当导致损坏，零件也不会从外壳上脱落。传感器接头结构如 3(b)所示。设置键 上方向键 下方向键 确定键 开机键（a）（b）图图 3 数字温度计正面及铂电阻传感器接头数字温度计正面及铂电阻传感器接头Fig.3 Front view of a digital thermometer and platinum resistance sensor terminals1.3温度计主要电路设计温度计主要电路设计本文将铂电阻四线式接线电路、0 温漂恒流源电路和比例测温电路应用于温度计，使温度计的测温精度达到0.05，满足精密测温需求。温度计系统结构图如图 4 所示。图图 4 数字温度计系统结构图数字温度计系统结构图Fig.4 Digital thermometer system structure diagram第 5 期王馨梓等:高精密一体式铂电阻数字温度计的设计与试验7951.3.1 传感器四线式接法设计 对于测量精度要求较高的温度测量仪表，通常采用四线式接线法。四线式接线法是将铂电阻两端分别接入四根引线，其中两根作为电源线，另外两根作为信号线。这种接线方式虽然引线较多，但没有电桥存在，因此引线电阻产生的误差只与信号线电阻有关，通过校准可以完全消除引线电阻对测量结果的影响12。铂电阻四线式接线如图 5(a)所示。1.3.2 高精度恒流源设计 恒流源的准确度和稳定性与温度计测温的精度和稳定性息息相关。通过对比最终选择了 LM334 作为本文所设计一体式精密铂电阻数字温度计的恒流源芯片，并参考其技术手册设计了 0 温漂恒流源电路，电路图如图 5(b)所示。（a）（b）图图 5 电阻四线式接线电路与恒流源电路图电阻四线式接线电路与恒流源电路图Fig.5 Four-wire resistance wiring circuit and constant current source circuit diagram恒流源输出电流为：_12outBIASIIII(3)其中：111=RVIR(4)1222+=RRVVIR(5)对式（3）两边关于温度求导可得：_12outdIdIdIdTdTdT(6)通过查阅相关技术手册可知11227/dIVR，2222227/RdIVRVR，带入公式（6）并使等式两边为 0 得：212/-227/227/=RVVRRV(7)式中：2RV二极管电阻随温度的变化速率。综上所述，当1R与2R的电阻值满足上式时即可消除温度变化对恒流源的影响。1.3.3 基于比例法的测温电路 为避免温度变化造成器件漂移而引入的测量误差，温度计采用比例电阻测量电路。将铂电阻传感器ptR和参考电阻efR与精密恒流源串联，再由两个电阻两端引出两根信号线，接到 ADS122X 的两路差分输入通道上（如图 4），这样就可以测得恒流源电流流过两电阻时产生的压降ptRU和efRU：ptRptURI(8)efRefURI(9)经 过 ADS122X 内 部 放 大、滤 波、模 数 转 换 后 得 到 的 电 压 值 分 别 为_0ptAD RG UU和_0efAD RG UU。796山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷式中：GADS122X 内部增益倍数，可通过程序选择倍数大小；_ptAD RG URptU经模数转换后对应的电压值；_efAD RG URefU经模数转换后对应的电压值；0UADS1248 内部零点漂移误差，可通过校准消除。由比例关系可得：_ptefADRptptefADRefG URIRRIG UR(10)由式（10）可得：_ptefptADRADRefRUUR(11)由式（8）可知，比例电阻测温法可以消除 ADS122X 内部增益带来的误差，并且可以消除恒流源受环境影响带来的误差，使得最终测得的铂电阻值准确度只与参考电阻准确度和 AD 转换器模数转换精度有关。2温度计稳定性试验研究温度计稳定性试验研究铂电阻温度计的稳定性是指温度计的计量特性保持恒定、不随时间变化的能力，是衡量温度计计量性能的重要指标。目前常用验证铂电阻温度计稳定性的方法有 JJG229-2010 工业铂、铜热电阻中验证铂电阻长期稳定性的方法和冷热冲击试验13，本研究基于以上两种方法进行大量相关试验，充分验证精密铂电阻温度计的稳定性。2.1长期稳定性试验长期稳定性试验为验证高精密一体式铂电阻数字温度计的长期稳定性，任选六只温度计，将温度计依次插入制备好的水三相点瓶，待温度计示数稳定后循环读数两次，由于水三相点温度为 0.01，因此需要将测量结果减去 0.01，得到温度计在 0 点的实际测量温度；之后对温度计进行 300 连续 672 h退火，对退火后的温度计再次进行 0 检定，上述试验步骤重复进行五次。试验中的温度计如图 6所示，试验数据如图 7 所示。图图 6 试验中的温度计试验中的温度计图图 7 温度计退火前后示值误差变化趋势折线图温度计退火前后示值误差变化趋势折线图Fig.6 Thermometer in testFig.7 Variation trend line chart of indication error of a thermometerbefore and after annealing由试验数据可以看出，多次退火后，温度计误差范围不超过0.05，相邻两次退火误差变化范围不超过0.015，温度计年稳定性约为 0.03，复现性约为 0.015 14，满足精密测温需求。2.2温度冲击试验温度冲击试验为尽可能模拟温度计可能存在的工作情况，针对本精密铂电阻温度计设计了高低温循环老化试验，测试温度计在极限工况下的稳定性。任选 6 支精密铂电阻数字温度计，依次插入热管恒温槽进行温度计上限温度老化 6 h，结束后将温度计依次插入制冷恒温槽进行下限温度老化 3 h，结束后将温度计再次插入热管恒温槽进行 3 h 上限温度老化。上述试验每天进行 1 次，每 5 d 为一个试验周期，共进行 12 个周期，每个周期结束后用水三相点瓶对温度计进行 0 检定。试验数据如图 8 所示。第 5 期王馨梓等:高精密一体式铂电阻数字温度计的设计与试验797图图 8 冷热冲击试验中温度计示值误差变化趋势折线图冷热冲击试验中温度计示值误差变化趋势折线图Fig.8 Variation trend line chart of thermometer indication error in cold and hot impact experiment由试验数据可以看出，在冷热冲击试验下的精密铂电阻温度计在 0 的示值误差大多在0.05 以内，年稳定性约为 0.1，复现性约为 0.05，满足精密测温需求，可替代标准温度计作为常见工业温度计检定用标准器。3不确定度分析不确定度分析不确定度是指在测量过程中，由于误差的存在导致测量值相较于真值的偏差程度，是衡量温度计综合性能的重要指标15,16。一体式铂电阻数字温度计的不确定度主要来自于标准器、恒温槽、寄生电势、电测设备、铂电阻和环境温度。标准器本身在检定点上的标准不确定度1u、复现性引入的不确定度2u、试验仪器插孔间温差引入不确定度3u和铂电阻稳定性引入的标准不确定度4u，可以通过查阅生产厂家提供的证书获得；温度计自热效应引入的不确定度5u、寄生电势在检定点引入的标准不确定度6u、电测设备引入的标准不确定度7u和环境温度引入的标准不确定度8u，可通过实际测量获得。在温度计各检定点分别合成标准不确定度cu为：2222222212345678cuuuuuuuuu(12)置信概率取 p=99%，k=2.58，将各检定点标准不确定度依次带入式（13），得到精密铂电阻温度计在检定点的扩展不确定度99U。99UUk(13)式中：U标准不确定度；k包含因子。铂电阻数字温度计的各不确定度分量及扩展不确定度如表 1 所示，精密铂电阻温度计的扩展不确定度不超过 0.035，可以满足精密测温的需求。表表 1 温度计标准不确定度分量及扩展不确定度温度计标准不确定度分量及扩展不确定度Table 1 Thermometer standard uncertainty component and extended uncertainty温度/Temperature不确定度分量/mkComponents of uncertainty合成标准不确定度 uc/mkCombined standard uncertainty uc扩展不确定度 U99/mkExpanded uncertainty U991u2u3u4u5u6u7u8u-601.80.66.45 5.77 3.4652.989.313.434.6001.96.45 5.77 3.4652.989.313.434.61002.41.36.45 5.77 3.4652.989.313.2343002.91.56.45 5.77 3.4652.989.313.735.34结结 论论（1）根据铂电阻温度计测温原理，对温度计一体式外形结构和硬件进行设计与选型，通过比例798山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷法测温电路和传感器四线式接线法，有效减少了引线对测量结果的影响，显著提高了温度计的测温精度和稳定性；（2）设计高精密一体式铂电阻数字温度计稳定性试验，分别进行长期稳定性试验和温度冲击试验，试验结果表明温度计在多种工况下测温精度均在0.05 内，本文设计的高精密一体式铂电阻数字温度计可以满足精密测温的需求；（3）对高精密一体式铂电阻数字温度计进行不确定度评定，从标准器、自热效应、环境温度、试验仪器等多个方面分别计算不确定度分量，最后将各不确定度分量合成，合成后的扩展不确定度在 0.035 以内。参考文献参考文献1汪世广,何卫锋,黄 达,等.陶瓷-金属多层涂层不同温度循环冲击损伤特征与演化规律J.表面技术,2022,51(1):60-682Tong X,Wang G,Stachurski ZH,et al.Structural evolution and strength change of a metallic glass at differenttemperatures J.Scientific 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