云南昌暉儀表制造有限公司
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閱讀：3發(fā)布時間：2026-8-23
隨著科學技術的進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，精密數(shù)字溫度計越來越多的應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等領域，而大量溫度計的檢定工作成為了新的問題。常見的溫度計檢定需要標準鉑電阻溫度計作為標準器，但是當前標準鉑電阻溫度計存在價格昂貴、結構復雜等問題，難以在實際生產(chǎn)中普及。為此，設計一種結構簡單、價格適中的高精度溫度計檢定用標準器，對我國制造業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義。
近幾年，國內外研究學者和機構對鉑電阻數(shù)字溫度進行了大量的研究。美國Fluke公司生產(chǎn)的1551A棒式溫度計體積小巧、攜帶方便，同樣由其生產(chǎn)的Fluke 51-Ⅱ單通道便攜式溫度計測溫精度可達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溫度計測溫范圍覆蓋-50℃～200℃，測溫精度可達0.1℃，整機重量僅450g，方便攜帶，可應用于多種場所；馬麗萍基于FPGA技術研發(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果的影響。但目前有關于鉑電阻的研究大多采用分體式結構，該結構的各項性能僅能滿足工業(yè)生產(chǎn)中的測量需求，難以滿足作為標準器的使用要求?；诖耍疚脑O計了一種一體式精密數(shù)字溫度計，其測溫精度達到±0.05℃，穩(wěn)定性遠超普通工業(yè)溫度計，滿足精密測溫需求，可以作為常見工業(yè)溫度計檢定用標準器。
1、精密數(shù)字溫度計工作原理與結構設計
1.1 工作原理
Pt100鉑電阻憑借其精度高、響應快的優(yōu)點被廣泛應用于高精度測量領域。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，通過AD轉換器將采集到的模擬信號轉換為可被單片機識別的數(shù)字信號后傳送給單片機，單片機使用內嵌公式將接收到的數(shù)字信號轉換為當前鉑電阻的電阻值，隨后利用內嵌的精密數(shù)字溫度計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系如式1、式2所示：
在-200℃～0℃范圍內：
在0～850℃范圍內：
1.2 主要硬件設計
精密數(shù)字溫度計由十分之一B級精度四線制Pt00鉑電阻傳感器、傳感器接頭、恒流源、AD轉換器、處理器、按鍵及屏幕等部分組成，外形如圖1所示。精密數(shù)字溫度計設計為一體式結構，鉑電阻傳感器直接焊接在PCB板上，提高了溫度計測溫精度和使用安全性。
圖1 精密數(shù)字溫度計外形
1.2.1 鉑電阻傳感器設計選型根據(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，常被應用于660℃以上的溫度測量任務中。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℃的溫度測量任務常使用Pt100作為溫度傳感器。根據(jù)設計要求，本文選擇Pt100作為溫度計傳感器。
1.2.2 精密數(shù)字溫度計屏幕、按鍵設計
按鍵和屏幕是人機交互的重要組成部分?？紤]到單片機的引腳資源分配問題，精密數(shù)字溫度計選用矩陣式鍵盤，使用8255芯片將單片機單個串行I/O口擴展為四個并行I/O口，精密數(shù)字溫度計屏幕選用LCD顯示器以方便用戶更直觀的了解精密溫度計的當前狀態(tài)。精密數(shù)字溫度計按鍵、顯示模塊位置分布。
1.3 精密數(shù)字溫度計主要電路設計
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用于精密數(shù)字溫度計，使精密數(shù)字溫度計的測溫精度達到±0.05℃，滿足精密測溫需求。精密數(shù)字溫度計系統(tǒng)結構圖如圖2所示。
圖2 精密數(shù)字溫度計電測硬件電路結構圖
1.3.1 傳感器四線式接法設計
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，通過校準可以消除引線電阻對測量結果的影響。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：
對公式3兩邊關于溫度求導可得：
公式6：
通過查閱相關技術手冊可知：
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R1與R2的電阻值滿足上式時即可消除溫度變化對恒流源的影響。
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)，再由兩個電阻兩端引出兩根信號線，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產(chǎn)生的壓降URpt和URef：
公式8：
公式9：
經(jīng)過ADS122X內部放大、濾波、模數(shù)轉換后得到的電壓值分別為：
和
，式中G為ADS122X內部增益倍數(shù)，可通過程序選擇倍數(shù)大小；G×UAD＿Rpt為URpt經(jīng)模數(shù)轉換后對應的電壓值；G×UAD＿Ref為URef經(jīng)模數(shù)轉換后對應的電壓值；△U0為ADS1248內部零點漂移誤差，可通過校準消除。
由比例關系可得：
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確度只與參考電阻準確度和AD轉換器模數(shù)轉換精度有關。
2、精密鉑電阻穩(wěn)定性試驗研究
鉑電阻的穩(wěn)定性是指溫度計的計量特性保持恒定、不隨時間變化的能力，是衡量鉑電阻計量性能的重要指標。目前常用驗證鉑電阻穩(wěn)定性的方法有JJG229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻》中驗證鉑電阻長期穩(wěn)定性的方法和冷熱沖擊試驗，本研究基于以上兩種方法進行大量相關試驗，充分驗證精密鉑電阻的穩(wěn)定性。
2.1 長期穩(wěn)定性試驗
為驗證一體式精密數(shù)字溫度計的長期穩(wěn)定性，任選六只溫度計，將精密數(shù)字溫度計依次插入制備好的水三相點瓶，待精密數(shù)字溫度計示數(shù)穩(wěn)定后循環(huán)讀數(shù)兩次，由于水三相點溫度為0.01℃，因此需要將測量結果減去0.01℃，得到溫度計在0℃點的實際測量溫度；之后對精密數(shù)字溫度計進行300℃連續(xù)672h退火，對退火后的精密數(shù)字溫度計再次進行0℃檢定，上述試驗步驟重復進行五次。試驗數(shù)據(jù)如圖4所示。
圖4 精密數(shù)字溫度計退火前后示值誤差變化趨勢折線圖
由試驗數(shù)據(jù)可以看出，多次退火后，精密數(shù)字溫度計誤差范圍不超過±0.05℃，相鄰兩次退火誤差變化范圍不超過±0.015℃，精密數(shù)字溫度計年穩(wěn)定性約為0.03℃，復現(xiàn)性約為0.015℃，滿足精密測溫需求。
2.2 溫度沖擊試驗
為盡可能模擬精密數(shù)字溫度計可能存在的工作情況，針對本精密數(shù)字溫度計設計了高低溫循環(huán)老化試驗，測試溫度計在極限工況下的穩(wěn)定性。任選6支精密數(shù)字溫度計，依次插入熱管恒溫槽進行溫度計上限溫度老化6h，結束后將精密數(shù)字溫度計依次插入制冷恒溫槽進行下限溫度老化3h，結束后將精密數(shù)字溫度計再次插入熱管恒溫槽進行3h上限溫度老化。上述試驗每天進行1次，每5d為一個試驗周期，共進行12個周期，每個周期結束后用水三相點瓶對精密數(shù)字溫度計進行0℃檢定。試驗數(shù)據(jù)如圖5所示。
圖5 冷熱沖擊試驗中精密數(shù)字溫度計示值誤差變化趨勢折線圖
由試驗數(shù)據(jù)可以看出，在冷熱沖擊試驗下的精密鉑電阻溫度計在0℃的示值誤差大多在±0.05℃以內，年穩(wěn)定性約為0.1℃，復現(xiàn)性約為0.05℃，滿足精密測溫需求，可替代標準鉑電阻溫度計作為常見工業(yè)溫度計檢定用標準器。
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綜合性能的重要指標。一體式精密數(shù)字溫度計的不確定度主要來自于標準器、恒溫槽、寄生電勢、電測設備、鉑電阻和環(huán)境溫度。
標準器本身在檢定點上的標準不確定度u1、復現(xiàn)性引入的不確定度u2、試驗儀器插孔間溫差引入不確定度u3和鉑電阻穩(wěn)定性引入的標準不確定度u4，可以通過查閱昌暉儀表提供的證書獲得；溫度計自熱效應引入的不確定度u5、寄生電勢在檢定點引入的標準不確定度u6、電測設備引入的標準不確定度u7和環(huán)境溫度引入的標準不確定度u8，可通過實際測量獲得。
在溫度計各檢定點分別合成標準不確定度uc為：
公式11：
置信概率取p=99%，k=2.58，將各檢定點標準不確定度依次帶入式13，得到精密鉑電阻溫度計在檢定點的擴展不確定度U99。
公式13：
， 式中U為標準不確定度；k為包含因子。
數(shù)字溫度計的各不確定度分量及擴展不確定度如表1所示，精密數(shù)字溫度計的擴展不確定度不超過0.035℃，可以滿足精密測溫的需求。
4、結論
①根據(jù)鉑電阻測溫原理，對精密數(shù)字溫度計一體式外形結構和硬件進行設計與選型，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果的影響，顯著提高了精密數(shù)字溫度計的測溫精度和穩(wěn)定性；
②設計精密數(shù)字溫度計穩(wěn)定性試驗，分別進行長期穩(wěn)定性試驗和溫度沖擊試驗，試驗結果表明精密數(shù)字溫度計在多種工況下測溫精度均在±0.05℃內，本文設計的精密數(shù)字溫度計可以滿足精密測溫的需求；
③對精密數(shù)字溫度計進行不確定度評定，從標準器、自熱效應、環(huán)境溫度、試驗儀器等多個方面分別計算不確定度分量，最后將各不確定度分量合成，合成后的擴展不確定度在0.035℃以內。
作者：王馨梓、李嬌嬌、山濤、張禹、徐震震、王杰文、張開興
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