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(duì)測溫精度要求越來越高，精密數(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。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，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(duì)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(duì)鉑電阻數(shù)字溫度進(jìn)行了大量的研究。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450g，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(duì)測量結(jié)果的影響。但目前有關(guān)于鉑電阻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。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種一體式精密數(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、精密數(shù)字溫度計(jì)工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 工作原理
Pt100鉑電阻憑借其精度高、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高精度測量領(lǐng)域。精密數(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(huì)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(hào)轉(zhuǎn)換為可被單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)使用內(nèi)嵌公式將接收到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為當(dāng)前鉑電阻的電阻值，隨后利用內(nèi)嵌的精密數(shù)字溫度計(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、式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)
精密數(shù)字溫度計(jì)由十分之一B級(jí)精度四線制Pt00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，外形如圖1所示。精密數(shù)字溫度計(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。



圖1 精密數(shù)字溫度計(jì)外形

1.2.1 鉑電阻傳感器設(shè)計(jì)選型根據(jù)
在0℃時(shí)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(shí)電阻值為10Ω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(duì)溫度變化表現(xiàn)的更為敏感，這就降低了對(duì)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。

1.2.2 精密數(shù)字溫度計(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。考慮到單片機(jī)的引腳資源分配問題，精密數(shù)字溫度計(jì)選用矩陣式鍵盤，使用8255芯片將單片機(jī)單個(gè)串行I/O口擴(kuò)展為四個(gè)并行I/O口，精密數(shù)字溫度計(jì)屏幕選用LCD顯示器以方便用戶更直觀的了解精密溫度計(jì)的當(dāng)前狀態(tài)。精密數(shù)字溫度計(jì)按鍵、顯示模塊位置分布。

1.3 精密數(shù)字溫度計(jì)主要電路設(shè)計(jì)
本文將鉑電阻四線式接線電路、零溫漂恒流源電路和比例測溫電路應(yīng)用于精密數(shù)字溫度計(jì)，使精密數(shù)字溫度計(jì)的測溫精度達(dá)到±0.05℃，滿足精密測溫需求。精密數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。



圖2 精密數(shù)字溫度計(jì)電測硬件電路結(jié)構(gòu)圖

1.3.1 傳感器四線式接法設(shè)計(jì)
對(duì)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(hào)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(hào)線電阻有關(guān)，通過校準(zhǔn)可以完全消除引線電阻對(duì)測量結(jié)果的影響。鉑電阻四線式接線如圖3(a)所示。



圖3 電阻四線制接線電路與恒流源電路圖

恒流源輸出電流為：

公式3：

其中：
公式4：
公式5：

對(duì)公式3兩邊關(guān)于溫度求導(dǎo)可得：

公式6：

通過查閱相關(guān)技術(shù)手冊(cè)可知：

公式7：

公式8：

帶入公式6并使等式兩邊為0得：

公式7：

式中VR2為二極管電阻隨溫度的變化速率。

綜上所述，當(dāng)R1與R2的電阻值滿足上式時(shí)即可消除溫度變化對(duì)恒流源的影響。

1.3.3 基于比例法的測溫電路
為避免溫度變化造成器件漂移而引入的測量誤差，溫度計(jì)采用比例電阻測量電路。將鉑電阻傳感器Rpt和參考電阻Ref與精密恒流源串聯(lián)，再由兩個(gè)電阻兩端引出兩根信號(hào)線，接到ADS122X的兩路差分輸入通道上(如圖2)，這樣就可以測得恒流源電流流過兩電阻時(shí)產(chǎn)生的壓降URpt和URef：

公式8：

公式9：

經(jīng)過ADS122X內(nèi)部放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的電壓值分別為：和，式中G為ADS122X內(nèi)部增益倍數(shù)，可通過程序選擇倍數(shù)大小；G×UAD＿Rpt為URpt經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的電壓值；G×UAD＿Ref為URef經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的電壓值；△U0為ADS1248內(nèi)部零點(diǎn)漂移誤差，可通過校準(zhǔn)消除。

由比例關(guān)系可得：

公式10：

由式10可得：

公式11：

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、精密鉑電阻穩(wěn)定性試驗(yàn)研究
鉑電阻的穩(wěn)定性是指溫度計(jì)的計(jì)量特性保持恒定、不隨時(shí)間變化的能力，是衡量鉑電阻計(jì)量性能的重要指標(biāo)。目前常用驗(yàn)證鉑電阻穩(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)，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)證精密鉑電阻的穩(wěn)定性。

2.1 長期穩(wěn)定性試驗(yàn)
為驗(yàn)證一體式精密數(shù)字溫度計(jì)的長期穩(wěn)定性，任選六只溫度計(jì)，將精密數(shù)字溫度計(jì)依次插入制備好的水三相點(diǎn)瓶，待精密數(shù)字溫度計(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(duì)精密數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行300℃連續(xù)672h退火，對(duì)退火后的精密數(shù)字溫度計(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)數(shù)據(jù)如圖4所示。



圖4 精密數(shù)字溫度計(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，精密數(shù)字溫度計(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℃，精密數(shù)字溫度計(jì)年穩(wěn)定性約為0.03℃，復(fù)現(xiàn)性約為0.015℃，滿足精密測溫需求。

2.2 溫度沖擊試驗(yàn)
為盡可能模擬精密數(shù)字溫度計(jì)可能存在的工作情況，針對(duì)本精密數(shù)字溫度計(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6h，結(jié)束后將精密數(shù)字溫度計(jì)依次插入制冷恒溫槽進(jìn)行下限溫度老化3h，結(jié)束后將精密數(shù)字溫度計(jì)再次插入熱管恒溫槽進(jìn)行3h上限溫度老化。上述試驗(yàn)每天進(jìn)行1次，每5d為一個(gè)試驗(yàn)周期，共進(jìn)行12個(gè)周期，每個(gè)周期結(jié)束后用水三相點(diǎn)瓶對(duì)精密數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行0℃檢定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。



圖5 冷熱沖擊試驗(yàn)中精密數(shù)字溫度計(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)鉑電阻溫度計(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，是衡量精密鉑電阻溫度計(jì)綜合性能的重要指標(biāo)。一體式精密數(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。

標(biāo)準(zhǔn)器本身在檢定點(diǎn)上的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1、復(fù)現(xiàn)性引入的不確定度u2、試驗(yàn)儀器插孔間溫差引入不確定度u3和鉑電阻穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4，可以通過查閱昌暉儀表提供的證書獲得；溫度計(jì)自熱效應(yīng)引入的不確定度u5、寄生電勢在檢定點(diǎn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u6、電測設(shè)備引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u7和環(huán)境溫度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u8，可通過實(shí)際測量獲得。

在溫度計(jì)各檢定點(diǎn)分別合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為：

公式11：

置信概率取p=99%，k=2.58，將各檢定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度依次帶入式13，得到精密鉑電阻溫度計(jì)在檢定點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度U99。
公式13：， 式中U為標(biāo)準(zhǔn)不確定度；k為包含因子。

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，精密數(shù)字溫度計(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。



4、結(jié)論
①根據(jù)鉑電阻測溫原理，對(duì)精密數(shù)字溫度計(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(duì)測量結(jié)果的影響，顯著提高了精密數(shù)字溫度計(jì)的測溫精度和穩(wěn)定性；

②設(shè)計(jì)精密數(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)果表明精密數(shù)字溫度計(jì)在多種工況下測溫精度均在±0.05℃內(nèi)，本文設(shè)計(jì)的精密數(shù)字溫度計(jì)可以滿足精密測溫的需求；

③對(duì)精密數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行不確定度評(píng)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(gè)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)。

作者：王馨梓、李嬌嬌、山濤、張禹、徐震震、王杰文、張開興