高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

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(jì)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

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(jì)量研究院, 甘肅 蘭州 730070 2. 陜西省計(jì)量科學(xué)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(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院, 山東 泰安 271018

針對目前標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低等問題，本文設(shè)計(jì)了一種高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)。首先，對鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)的核心部件進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，使溫度計(jì)的測溫精度達(dá)到±0.05 ℃；然后，對高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行長期穩(wěn)定性和溫度沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在多種工況下，溫度計(jì)測溫精度均可達(dá)到±0.05 ℃，年穩(wěn)定性在0.1 ℃內(nèi)，復(fù)現(xiàn)性在0.05 ℃內(nèi)；最后，對溫度計(jì)進(jìn)行不確定度分析，確定溫度計(jì)的不確定度來源并計(jì)算出擴(kuò)展不確定度，最終得出溫度計(jì)擴(kuò)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(jì)檢定用標(biāo)準(zhǔn)器。

鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)；一體式結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性試驗(yàn)；不確定度

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(jì)越來越多的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等領(lǐng)域，而大量溫度計(jì)的檢定工作成為了新的問題[1]。常見的溫度計(jì)檢定需要標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器[5]，但是當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)存在價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，難以在實(shí)際生產(chǎn)中普及。為此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格適中的高精度溫度計(jì)檢定用標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)外研究學(xué)者和機(jī)構(gòu)對鉑電阻數(shù)字溫度進(jìn)行了大量的研究[6-8]。美國Fluke公司生產(chǎn)的1551A棒式溫度計(jì)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(jì)測溫精度可達(dá)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(jì)測溫范圍覆蓋-50 ℃～200 ℃，測溫精度可達(dá)0.1 ℃，整機(jī)重量僅450 g，方便攜帶，可應(yīng)用于多種場所；馬麗萍基于FPGA技術(shù)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(jié)果的影響[9]。但目前有關(guān)于鉑電阻溫度計(jì)的研究大多采用分體式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)器的使用要求?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種一體式精密鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)，其測溫精度達(dá)到±0.05 ℃，穩(wěn)定性遠(yuǎn)超普通工業(yè)溫度計(jì)，滿足精密測溫需求，可以作為常見工業(yè)溫度計(jì)檢定用標(biāo)準(zhǔn)器。

1 溫度計(jì)工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

鉑電阻溫度計(jì)憑借其精度高、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高精度測量領(lǐng)域。鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)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(diǎn)，通過AD轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為可被單片機(jī)識別的數(shù)字信號后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)使用內(nèi)嵌公式[10]將接收到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為當(dāng)前鉑電阻的電阻值，隨后利用內(nèi)嵌的溫度計(jì)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(guān)系如式（1）、（2）所示：

在-200 ℃～0 ℃范圍內(nèi)：

在0～850 ℃范圍內(nèi)：

1.2 主要硬件設(shè)計(jì)

高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)由鉑電阻傳感器、傳感器接頭、恒流源、AD轉(zhuǎn)換器、處理器、按鍵及屏幕等部分組成，主機(jī)尺寸為104 mm×46 mm×30 mm，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。溫度計(jì)設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)，鉑電阻傳感器直接焊接在PCB板上，提高了溫度計(jì)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(shè)計(jì)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(yīng)用于660 ℃以上的溫度測量任務(wù)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(wù)常使用PT100作為溫度傳感器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文選擇PT100作為溫度計(jì)傳感器[11]。圖2為PT100溫度傳感器實(shí)物圖。

圖2 PT100溫度傳感器實(shí)物圖

1.2.2 溫度計(jì)屏幕、按鍵設(shè)計(jì)按鍵和屏幕是人機(jī)交互的重要組成部分?？紤]到單片機(jī)的引腳資源分配問題，溫度計(jì)選用矩陣式鍵盤，使用8255芯片將單片機(jī)單個串行I/O口擴(kuò)展為四個并行I/O口，溫度計(jì)屏幕選用LCD顯示器以方便用戶更直觀的了解溫度計(jì)的當(dāng)前狀態(tài)。溫度計(jì)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(shè)計(jì)傳感器接頭的整體外形采用錐形設(shè)計(jì)，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(cè)有四個凸臺，用于溫度計(jì)開關(guān)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(shè)計(jì)用來安放溫度計(jì)開關(guān)按鍵；下側(cè)開雙孔，其中前側(cè)孔使用螺栓將接頭與溫度計(jì)下側(cè)外殼固定，后側(cè)孔用來穿過溫度計(jì)上下蓋以固定螺栓，這樣即使零件前側(cè)受熱熔化或因操作不當(dāng)導(dǎo)致?lián)p壞，零件也不會從外殼上脫落。傳感器接頭結(jié)構(gòu)如3(b)所示。

圖 3 數(shù)字溫度計(jì)正面及鉑電阻傳感器接頭

1.3 溫度計(jì)主要電路設(shè)計(jì)

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(yīng)用于溫度計(jì)，使溫度計(jì)的測溫精度達(dá)到±0.05 ℃，滿足精密測溫需求。溫度計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖 4 數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3.1 傳感器四線式接法設(shè)計(jì)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(guān)，通過校準(zhǔn)可以完全消除引線電阻對測量結(jié)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(shè)計(jì)恒流源的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性與溫度計(jì)測溫的精度和穩(wěn)定性息息相關(guān)。通過對比最終選擇了LM334作為本文所設(shè)計(jì)一體式精密鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)的恒流源芯片，并參考其技術(shù)手冊設(shè)計(jì)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(guān)于溫度求導(dǎo)可得：

由比例關(guān)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(nèi)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(zhǔn)確度只與參考電阻準(zhǔn)確度和AD轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換精度有關(guān)。

2 溫度計(jì)穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

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

2.1 長期穩(wěn)定性試驗(yàn)

為驗(yàn)證高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)的長期穩(wěn)定性，任選六只溫度計(jì)，將溫度計(jì)依次插入制備好的水三相點(diǎn)瓶，待溫度計(jì)示數(shù)穩(wěn)定后循環(huán)讀數(shù)兩次，由于水三相點(diǎn)溫度為0.01 ℃，因此需要將測量結(jié)果減去0.01 ℃，得到溫度計(jì)在0 ℃點(diǎn)的實(shí)際測量溫度；之后對溫度計(jì)進(jìn)行300 ℃連續(xù)672 h退火，對退火后的溫度計(jì)再次進(jìn)行0 ℃檢定，上述試驗(yàn)步驟重復(fù)進(jìn)行五次。試驗(yàn)中的溫度計(jì)如圖6所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖 6 試驗(yàn)中的溫度計(jì)

圖 7 溫度計(jì)退火前后示值誤差變化趨勢折線圖

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，多次退火后，溫度計(jì)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(jì)年穩(wěn)定性約為0.03 ℃，復(fù)現(xiàn)性約為0.015 ℃[14]，滿足精密測溫需求。

2.2 溫度沖擊試驗(yàn)

為盡可能模擬溫度計(jì)可能存在的工作情況，針對本精密鉑電阻溫度計(jì)設(shè)計(jì)了高低溫循環(huán)老化試驗(yàn)，測試溫度計(jì)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(jì)，依次插入熱管恒溫槽進(jìn)行溫度計(jì)上限溫度老化6 h，結(jié)束后將溫度計(jì)依次插入制冷恒溫槽進(jìn)行下限溫度老化3 h，結(jié)束后將溫度計(jì)再次插入熱管恒溫槽進(jìn)行3 h上限溫度老化。上述試驗(yàn)每天進(jìn)行1次，每5 d為一個試驗(yàn)周期，共進(jìn)行12個周期，每個周期結(jié)束后用水三相點(diǎn)瓶對溫度計(jì)進(jìn)行0 ℃檢定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖 8 冷熱沖擊試驗(yàn)中溫度計(jì)示值誤差變化趨勢折線圖

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在冷熱沖擊試驗(yàn)下的精密鉑電阻溫度計(jì)在0 ℃的示值誤差大多在±0.05 ℃以內(nèi)，年穩(wěn)定性約為0.1 ℃，復(fù)現(xiàn)性約為0.05 ℃，滿足精密測溫需求，可替代標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作為常見工業(yè)溫度計(jì)檢定用標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致測量值相較于真值的偏差程度，是衡量溫度計(jì)綜合性能的重要指標(biāo)[15,16]。一體式鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)的不確定度主要來自于標(biāo)準(zhǔn)器、恒溫槽、寄生電勢、電測設(shè)備、鉑電阻和環(huán)境溫度。

鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)的各不確定度分量及擴(kuò)展不確定度如表1所示，精密鉑電阻溫度計(jì)的擴(kuò)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量及擴(kuò)展不確定度

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)鉑電阻溫度計(jì)測溫原理，對溫度計(jì)一體式外形結(jié)構(gòu)和硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jié)果的影響，顯著提高了溫度計(jì)的測溫精度和穩(wěn)定性；

（2）設(shè)計(jì)高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)穩(wěn)定性試驗(yàn)，分別進(jìn)行長期穩(wěn)定性試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明溫度計(jì)在多種工況下測溫精度均在±0.05 ℃內(nèi)，本文設(shè)計(jì)的高精密一體式鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)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(jì)進(jìn)行不確定度評定，從標(biāo)準(zhǔn)器、自熱效應(yīng)、環(huán)境溫度、試驗(yàn)儀器等多個方面分別計(jì)算不確定度分量，最后將各不確定度分量合成，合成后的擴(kuò)展不確定度在0.035 ℃以內(nèi)。

[1] 汪世廣,何衛(wèi)鋒,黃達(dá),等.陶瓷-金屬多層涂層不同溫度循環(huán)沖擊損傷特征與演化規(guī)律[J].表面技術(shù),2022,51(1):60-68

[2] Tong X, Wang G, Stachurski ZH,. Structural evolution and strength change of a metallic glass at different temperatures [J]. Scientific reports, 2016,6(1):30876

[3] 吳振鶴.基于先進(jìn)控制的醫(yī)用恒溫箱調(diào)節(jié)器的開發(fā)和優(yōu)化[D].北京:北京化工大學(xué),2022

[4] 朱經(jīng)國,楊峻濤,張軍,等.紅外額溫計(jì)的高精度黑體輻射源的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2022,53(6):969-975

[5] 褚衛(wèi)華,賈軍偉,王曉北,等.低溫風(fēng)洞高精度溫度計(jì)現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置研制[J].中國測試,2023,49(7):125-131

[6] Chavez-Urbiola IR, Sánchez FR, Mejia I,. Statistical analysis of thermal treatment effect of smd ni-rtd batch sensors and its direct application without packaging for a contact thermometer [J]. Journal of Electronic Materials, 2022,51(4):1-9

[7] Onubogu UC, Wonodi W, West BA. Comparison of temperature readings, infrared, non-contact thermometer with contact digital thermometer readings in children [J]. West African journal of medicine, 2021,38(9):851-858

[8] Babita PU, Meena H, Gupta G,. Evaluation of self-heating effect in platinum resistance thermometers [J]. Measurement,2022,203:111994

[9] 馬麗萍.基于FPGA的多通道熱電阻測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].蘭州:西北師范大學(xué),2020

[10] 姜盈盈,喬家廣,朱毅晨,等.精密鉑電阻溫度計(jì)在(-80～300)℃的內(nèi)插公式[J].計(jì)量與測試技術(shù),2023,50(4):39-42

[11] 張克,廖理,王立新,等.溫度測控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國質(zhì)檢出版社,2011

[12] 劉少波.基于四線制的繼電器盒檢測設(shè)備應(yīng)急研制[J].中國設(shè)備工程,2021(13):187-189

[13] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 229-2010工業(yè)鉑、銅熱電阻[S].北京:中國計(jì)量出版社,2010

[14] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.JJG 160-2007標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)[S]. 北京:中國計(jì)量出版社,2007

[15] Weinmann SRK, Arellano J, Natzic RA,. Polyethylene density uncertainty in the simulation of neutron detectors [J]. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A,2023,1046:167667

[16] 王在旗.二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測量結(jié)果的不確定度評定[J].工業(yè)計(jì)量,2022,32(2):51-55

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(xiàng)目(2021TSGC1369);泰安高新區(qū)加快科技成果轉(zhuǎn)化促進(jìn)新動能培育計(jì)劃(KJD2020140);泰安市科技創(chuàng)新發(fā)展項(xiàng)目(2021GX015)

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

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