用于織物熱阻儀的Pt100鉑電阻溫度傳感器校正

王革輝 張偉

摘 要： 采用虛擬儀器、電熱恒溫水槽和水銀溫度計(jì)對(duì)用于平板式織物熱阻儀的4個(gè)Pt100鉑電阻溫度傳感器的測(cè)溫正確性和穩(wěn)定性進(jìn)行了檢驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)Pt100鉑電阻溫度傳感器的測(cè)量結(jié)果與水銀溫度計(jì)的測(cè)量結(jié)果之間存在系統(tǒng)差異，不同的Pt100鉑電阻溫度傳感器的測(cè)量結(jié)果之間也存在較大的系統(tǒng)差異，但4個(gè)Pt100鉑電阻溫度傳感器的測(cè)量穩(wěn)定性都良好。通過(guò)一定的校正，4個(gè)Pt100鉑電阻溫度傳感器的測(cè)量結(jié)果與水銀溫度計(jì)的測(cè)量結(jié)果之間的系統(tǒng)差異很小。

關(guān)鍵詞： Pt100鉑電阻溫度傳感器；溫度測(cè)量；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TS103.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1674-2346（2016）03-

1 前言

服裝隔熱性對(duì)冬季服裝而言非常重要，而服裝隔熱性很大程度上取決于服裝材料的隔熱性。因此，對(duì)服裝材料隔熱性的研究一直受到人們關(guān)注。多數(shù)研究中，服裝材料隔熱性能的測(cè)試一般采用平板式織物熱阻測(cè)試儀，服裝材料隔熱性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是熱阻。[1-6]

已有多名研究者對(duì)平板式織物熱阻測(cè)試儀的改進(jìn)做了研究[7-8]，改進(jìn)的著眼點(diǎn)主要是針對(duì)該類儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，但都沒有涉及該類儀器的測(cè)試效率問(wèn)題。而實(shí)際應(yīng)用中，國(guó)產(chǎn)的平板式織物熱阻測(cè)試儀測(cè)試耗時(shí)很長(zhǎng)，測(cè)試效率低。王革輝等人[9]比較了美國(guó)MTNW公司生產(chǎn)的SGHP熱濕阻測(cè)試儀和國(guó)產(chǎn)的YG606E型紡織品熱（濕）阻測(cè)試儀測(cè)試織物隔熱性能的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)2種儀器的測(cè)量結(jié)果之間沒有系統(tǒng)差異，而且測(cè)試穩(wěn)定性都比較好，但2種儀器在測(cè)試效率上有很大差異，測(cè)試厚型織物時(shí)，測(cè)試1塊試樣，YG606E平均耗時(shí)約80分鐘，而SGHP平均耗時(shí)僅約17分鐘。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)的平板式織物熱阻測(cè)試儀進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)以提高測(cè)試效率。

平板式織物熱阻測(cè)試儀在測(cè)量織物熱阻時(shí)使用的計(jì)算公式如下：

錯(cuò)誤！未找到引用源。 （1）

其中R為織物的熱阻，℃·m2/W；A為實(shí)驗(yàn)板的面積，m2；Ta為環(huán)境溫度，℃；Ts為實(shí)驗(yàn)板的溫度，℃；Q為儀器的加熱功率，W。其中Ts是影響測(cè)試結(jié)果的一個(gè)重要參數(shù)，平板式織物熱阻測(cè)試儀中對(duì)該參數(shù)的測(cè)量一般采用PT100鉑電阻溫度傳感器[7-8]，但沒有研究者對(duì)所用的PT100鉑電阻溫度傳感器的測(cè)量正確性和穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。本文正是基于此，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)將要用于平板式織物熱阻測(cè)試儀的4個(gè)PT100鉑電阻溫度傳感器的測(cè)溫性能并進(jìn)行校正。

2 基于虛擬儀器的溫度傳感器的校正

對(duì)溫度傳感器的校正首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集和顯示，基于虛擬儀器溫度傳感器校正的實(shí)驗(yàn)原理為：將溫度傳感器感應(yīng)部位置入電熱恒溫水槽中，將公認(rèn)準(zhǔn)確度較高、精度為0.1℃的水銀溫度計(jì)緊貼傳感器置入水槽中的同一測(cè)試區(qū)域，使溫度傳感器和水銀溫度計(jì)的測(cè)溫水域相同，以水銀溫度計(jì)顯示的溫度作為設(shè)定溫度。利用電熱恒溫調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)水槽中水的溫度，使水溫分別達(dá)到水銀溫度計(jì)顯示的34.0℃、34.5℃、35.0℃、35.5℃、36.0℃，利用PT100鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行同步測(cè)量，每個(gè)溫度在不同的時(shí)間段共實(shí)驗(yàn)10次；溫度傳感器的接線端與信號(hào)調(diào)理器相連，信號(hào)調(diào)理器與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從溫度傳感器傳輸進(jìn)入計(jì)算機(jī)；使用LabVIEW進(jìn)行編程，使溫度信號(hào)以可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)在計(jì)算機(jī)上顯示；根據(jù)水銀溫度計(jì)的讀數(shù)與溫度傳感器顯示溫度的差值，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉑電阻溫度傳感器的校正。

2.1 硬件組成

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用NI公司的NIcDAQ-9172USB機(jī)箱。NIcDAQ-9172USB機(jī)箱是一個(gè)堅(jiān)固耐用的便攜式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，它將連接和信號(hào)調(diào)理功能與模塊化I/O相集成，可直接連接任何傳感器或信號(hào)。NIcDAQ-9172 USB機(jī)箱是一款8槽NI CompactDAQ USB機(jī)箱，適用于構(gòu)建自定義模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器測(cè)量系統(tǒng)，在USB機(jī)箱中需插入數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。選用NI 9217作為模擬輸入模塊，該模塊的采樣率為400 S/s，24位分辨率，最多支持4個(gè)RTD（Resistance Temperature Detector，電阻式溫度檢測(cè)器）模擬輸入。

2.2 LabVIEW軟件

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境，是由NI公司開發(fā)的一種虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但不同的是C和BASIC的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言為文本語(yǔ)言，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式[10]。

由LabVIEW創(chuàng)建的程序稱為vi，

每個(gè)vi都包含2個(gè)部分，前面板和

程序框圖[11]。圖1為溫度采集的前面板設(shè)計(jì)圖，圖2為溫度采集的程序框圖。

如圖1所示，前面板主要包括4個(gè)溫度顯示控件（用于顯示各個(gè)溫度傳感器的溫度），1個(gè)溫度測(cè)量通道（用于設(shè)定溫度測(cè)量的輸入通道），4個(gè)輸出路徑（用于設(shè)定各個(gè)溫度傳感器的輸出路徑），4個(gè)開關(guān)控件和1個(gè)Excel表格，開關(guān)控件用于控制數(shù)據(jù)采集的開始與結(jié)束，通過(guò)設(shè)置保存路徑可將溫度傳感器采集到的溫度保存到相應(yīng)的Excel表格中。圖2為主要的程序框圖，其中包括創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)、采樣時(shí)鐘和索引數(shù)組等。創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)一般放在程序的最前面，用于程序的創(chuàng)建；采樣時(shí)鐘用于設(shè)定采樣的時(shí)間間隔，自編程序設(shè)定為每隔5000毫秒采集1次數(shù)據(jù)；連線數(shù)組到索引數(shù)組時(shí)，函數(shù)可自動(dòng)調(diào)整大小，在n維數(shù)組中顯示各個(gè)維度的索引輸入。實(shí)驗(yàn)需要對(duì)4個(gè)相同型號(hào)的鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行校正，分別編號(hào)為1～4號(hào)溫度傳感器，通過(guò)創(chuàng)建索引數(shù)組函數(shù)將4個(gè)溫度傳感器的測(cè)量值同時(shí)顯示在指定的位置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4個(gè)PT100鉑電阻溫度傳感器對(duì)每一設(shè)定溫度的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

3.1 討論與分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算4個(gè)PT100鉑電阻溫度傳感器在每一設(shè)定溫度下各自溫度測(cè)量結(jié)果的均值、CV值和均值與設(shè)定溫度的差值，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，4個(gè)PT100鉑電阻溫度傳感器在上述幾個(gè)設(shè)定溫度測(cè)量中的CV值均小于0.4%，說(shuō)明其測(cè)溫穩(wěn)定性良好。表2還顯示，在上述幾個(gè)溫度測(cè)量中，4個(gè)PT100鉑電阻溫度傳感器測(cè)得的溫度值都高于設(shè)定溫度，最大的相差0.89℃，最小的相差0.36℃。

對(duì)每個(gè)溫度傳感器的測(cè)量值與設(shè)定溫度的差值的平均值進(jìn)行總結(jié)，如表3所示。

由表3可知，PT100鉑電阻溫度傳感器在同一設(shè)定溫度下的測(cè)量值不同，其中1號(hào)溫度傳感器的測(cè)量值與設(shè)定溫度平均相差0.70℃，2號(hào)溫度傳感器的測(cè)量值與設(shè)定溫度平均相差0.44℃，3號(hào)溫度傳感器的測(cè)量值與設(shè)定溫度平均相差0.86℃，4號(hào)溫度傳感器的測(cè)量值與設(shè)定溫度平均相差0.76℃?？梢?號(hào)溫度傳感器的測(cè)量值與設(shè)定溫度相差最小，3號(hào)溫度傳感器與設(shè)定溫度相差最大。其中3號(hào)溫度傳感器在測(cè)量34.5℃和35.0℃水溫時(shí)的測(cè)量值與設(shè)定溫度相差0.89℃，為最大，2號(hào)溫度傳感器在測(cè)量36.0℃水溫時(shí)的測(cè)量值與設(shè)定溫度相差0.36℃，為最小。

假設(shè)織物熱阻測(cè)試時(shí)，Ts設(shè)定為35℃，Ta為20℃，Ta和其他參數(shù)都測(cè)量準(zhǔn)確。當(dāng)熱板溫度Ts的測(cè)量結(jié)果偏差0.89℃時(shí)，根據(jù)公式（1）可以推算得出所測(cè)得的織物熱阻值與“準(zhǔn)確測(cè)量的織物熱阻值”的相對(duì)偏差為5.93%。

由表3可知1～4號(hào)溫度傳感器的測(cè)量值與設(shè)定溫度相差的平均值分別為0.70℃、0.44℃、0.86℃、0.76℃，將各溫度傳感器的測(cè)量值與設(shè)定溫度相差的均值分別作代數(shù)計(jì)算作為各溫度傳感器的校正公式，4個(gè)溫度傳感器的校正公式總結(jié)如表4所示。

其中Y1、Y2、Y3、Y4、分別為4個(gè)溫度傳感器的校正值，x1、x2、x3、x4分別為4個(gè)溫度傳感器的測(cè)量值。

3.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

選取34.6℃、34.7℃、34.8℃、34.9℃、35.1℃、35.2℃、35.3℃、35.4℃作為驗(yàn)證溫度，分別將水溫調(diào)至以上溫度后使用各溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，并使用校正公式計(jì)算校正結(jié)果，其中測(cè)量結(jié)果如表5所示，校正結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出經(jīng)校正后溫度傳感器的測(cè)量值與設(shè)定溫度相差最大值為-0.06℃，最小為0℃，所以經(jīng)校正后的溫度傳感器測(cè)量值與設(shè)定溫度的系統(tǒng)性差異很小，測(cè)量的準(zhǔn)確度大大提高，因此可使熱阻測(cè)試的準(zhǔn)確度得以提高。

4 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)和分析，得到以下結(jié)論：

1）PT100鉑電阻溫度傳感器的測(cè)量值與水銀溫度計(jì)的測(cè)量值存在差異，在試驗(yàn)中溫度傳感器測(cè)量值的平均值與水銀溫度計(jì)的測(cè)量值最大相差0.89℃，最小相差0.36℃。

2）相同型號(hào)的不同溫度傳感器的測(cè)量值也不同，試驗(yàn)中與水銀溫度計(jì)相差最小的是2號(hào)溫度傳感器，其測(cè)量均值與水銀溫度計(jì)的測(cè)量值平均相差0.44℃。與水銀溫度計(jì)相差最大的是3號(hào)溫度傳感器，其測(cè)量均值與水銀溫度計(jì)的測(cè)量值平均相差0.86℃。

3）PT100鉑電阻溫度傳感器的測(cè)溫穩(wěn)定性較好，4個(gè)溫度傳感器的測(cè)量值的CV值均小于0.4%。

4）經(jīng)校正后的溫度傳感器測(cè)量值與設(shè)定溫度的系統(tǒng)性差異很小，測(cè)量的準(zhǔn)確度大大提高，可使熱阻測(cè)試的準(zhǔn)確度得以提高。

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The Correction of Pt100 Platinum Resistance Temperature Sensor used on Fabric Thermal Resistance Meter

WANG Ge-hui ZHANG Wei

（Fashion & Art Design College， Donghua University， Shanghai 200051，China）

Abstract： By using virtual instrument， electro-thermostatic water cabinet and mercury thermometer， the accuracy and stability of temperature measurement of 4 Pt100 platinum resistance temperature sensors have been tested. It is found that there are systematic differences between the results obtained from the 4 Pt100 platinum resistance temperature sensors and the mercury thermometer， and between the results obtained from the different platinum resistance temperature sensors. However， the stability of temperature measurement of the 4 Pt100 platinum resistance temperature sensors is good. After certain correction， the systematic differences between the results obtained from the 4 Pt100 platinum resistance temperature sensors and the mercury thermometer have become very small.

Key words： Pt100 platinum resistance temperature sensor； temperature measurement； LabVIEW

（責(zé)任編輯 竺小恩）