基于熱敏材料的溫場驗證儀研制及應(yīng)用

李海兵,李 峰,薛文艷,劉志強,卓 華

(1.新疆維吾爾自治區(qū)計量測試研究院, 新疆 烏魯木齊 830011;2.國家市場監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)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(qū)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(huán)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(chǎn)品。相較于普通的環(huán)境溫濕度設(shè)備,真空干燥箱配備專業(yè)的真空泵,極限真空度可達0.3 kPa。在真空環(huán)境下,密封環(huán)境無法強制空氣循環(huán),使得箱內(nèi)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(huán)境試驗設(shè)備溫度、濕度校準規(guī)范》(JJF 1101—2019)為參考依據(jù)。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(jié)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(jié)構(gòu),使得傳統(tǒng)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(zhàn)。

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(nèi)具有較大電阻溫度系數(shù)[2- 3],且具有價格低廉、性能穩(wěn)定及響應(yīng)快的優(yōu)點。熱敏電阻具有較好的穩(wěn)定性、較快的熱反應(yīng)時間,可作為溫度計量標準器應(yīng)用于特殊場景。

近年來,研究人員提出了微控制器結(jié)合熱敏電阻的方案,以設(shè)計多路溫度采集系統(tǒng)。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(shù)(negative temperature coefficient,NTC)熱敏電阻的高精密測溫系統(tǒng)(即雙積分式、恒壓式和恒流式),且從測溫原理、系統(tǒng)構(gòu)成方面分析了系統(tǒng)的優(yōu)劣[5]。

本文創(chuàng)新性地采用熱敏電阻材料,結(jié)合精密測溫系統(tǒng)設(shè)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(nèi)滿足±0.15 ℃的誤差要求。該驗證儀可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的布線式鉑電阻溫度測量儀,實現(xiàn)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(tǒng)供電單元組成,由上位機讀取數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)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(yīng)快速的特性。其電阻溫度系數(shù)較大,應(yīng)用于特殊環(huán)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(wěn)定性結(jié)果如圖2所示。

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

圖2 熱敏陶瓷材料的阻值溫度曲線及穩(wěn)定性結(jié)果

穩(wěn)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(wěn)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(nèi)穩(wěn)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(jù)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(yīng)曲線[7]。

同時,根據(jù)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(shù);T函數(shù)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(shù)。

RT函數(shù)用于溫度分度表查詢。

1.2 雙向恒流源激勵單元設(shè)計

高精度溫度測量的設(shè)計方案分為恒壓法、歐姆計和電阻比[8]。恒壓法的電橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜。歐姆計需高精度恒流源。電阻比測溫原理是在電路中設(shè)計一個高精密參考電阻,將其與待測電阻串聯(lián),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(xiàn)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(tǒng)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(shè)計

精密溫度采集單元主要包含溫度信號調(diào)理和模數(shù)(analog-to-digital,A/D)轉(zhuǎn)換電路。信號調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計

在系統(tǒng)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(fù)位電路及聯(lián)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(shù)據(jù)存儲單元。

1.5 數(shù)據(jù)采集及存儲流程

存儲式溫場驗證儀研制完成后,經(jīng)過試驗定型和熱老化,確定的技術(shù)參數(shù)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(shù)據(jù)采集及存儲流程如圖4所示[12]。

圖4 數(shù)據(jù)采集及存儲流程圖

本文進行了驗證儀的校準,經(jīng)過中國計量科學(xué)研究院的校準,驗證了設(shè)備的技術(shù)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(jié)果表明,計量標準器的校準數(shù)據(jù)滿足技術(shù)指標的要求。與鉑電阻為傳感器的測溫儀相比,其技術(shù)指標優(yōu)于國內(nèi)的同類驗證儀產(chǎn)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(shè)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(xù)測試過程如下:將驗證儀開啟后放到干燥箱內(nèi)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(shù)據(jù);同時,真空干燥箱連通數(shù)字絕壓表進行真空度的記錄和監(jiān)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(nèi)的真空度達到設(shè)定值,繼續(xù)測量溫度點80 ℃和60 ℃下的溫度值,待穩(wěn)定后讀取驗證儀數(shù)據(jù)。

真空干燥箱的溫度隨壓力變化測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 真空干燥箱的溫度隨壓力變化測試結(jié)果

本文對干燥箱內(nèi)的溫度場進行分析。當溫度穩(wěn)定后,根據(jù)測溫數(shù)據(jù)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(wěn)定后,各測量點在30 min內(nèi)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(wěn)定后,取30 min內(nèi)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(shè)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(shè)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(guī)定時間內(nèi)測量的最高溫度,℃;tmin為各測量點規(guī)定時間內(nèi)測量的最低溫度,℃;tS為設(shè)備的設(shè)定溫度,℃。

大氣壓和15 kPa下干燥箱溫度參數(shù)如表3所示。

表3 大氣壓和15 kPa下干燥箱溫度參數(shù)

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(jié)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(shè)定中須進行修正,才能滿足所需的溫度要求。

3 結(jié)論

本文基于高精密溫度采集處理系統(tǒng)的設(shè)計,研制了熱敏傳感器的溫度驗證儀。該驗證儀的技術(shù)指標優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)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(jié)果表明,2種條件下,真空干燥箱內(nèi)溫度波動度均不大于0.1 ℃。然而,傳熱機理的變化導(dǎo)致真空干燥箱內(nèi)真空下溫度示值偏差(-5.12 ℃)較大氣壓下發(fā)生較大變化(-0.21 ℃)。本文研究結(jié)果為真空干燥箱等密封設(shè)備技術(shù)規(guī)范的制定提供數(shù)據(jù)支撐。