陳 宇 姚麗芳 朱學(xué)平 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

現(xiàn)場校準(zhǔn)用的測溫傳感器*

陳 宇 姚麗芳 朱學(xué)平 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

介紹了一種新型的現(xiàn)場校準(zhǔn)用測溫傳感器，從溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)和電阻-溫度系數(shù)計(jì)算方法方面進(jìn)行論述，并提供相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對溫度計(jì)的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行分析，顯示該測溫傳感器的優(yōu)點(diǎn)，可用于溫度產(chǎn)品的現(xiàn)場校準(zhǔn)，具有一定的實(shí)用價值。

鉑電阻；分度；測溫準(zhǔn)確度；測溫傳感器

0 引言

熱電阻是中低溫領(lǐng)域中最常用的測溫傳感器。它的準(zhǔn)確度高、互換性好，并且性能穩(wěn)定，因此廣泛應(yīng)用于各個廠礦企業(yè)中。其中A級和AA級鉑電阻也被計(jì)量部門大量使用于現(xiàn)場校準(zhǔn)。隨著工業(yè)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)場使用的大量計(jì)量儀器，其性能也在不斷提升，如干式爐、水浴鍋、精密恒溫槽、熔融指數(shù)儀，以及石油行業(yè)用的運(yùn)動黏度、傾點(diǎn)、凝點(diǎn)測定儀等。這些儀器的溫度誤差或均勻性、穩(wěn)定性等技術(shù)參數(shù)通常為0.1 ℃左右。而A級鉑電阻在0 ℃最大誤差為±0.15 ℃，AA級鉑電阻為±0.10 ℃，顯然，用A級或AA級鉑電阻來檢測這類儀器已經(jīng)不符合要求。二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)可以用于現(xiàn)場校準(zhǔn)，然而易碎、怕震、成本高的缺點(diǎn)導(dǎo)致其不適合作為現(xiàn)場校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器。

1 鉑電阻的工作原理

鉑電阻測溫是基于金屬鉑絲的電阻值隨著溫度變化而變化的這一特性來進(jìn)行測量的。在不同的溫度段，有以下的電阻-溫度關(guān)系[1]。

其中：A= 3.908 3×10-3℃-1，B= -5.775 0×10-7℃-2，C= -4.183 0×10-12℃-4

2 現(xiàn)有工業(yè)鉑電阻的優(yōu)缺點(diǎn)

工業(yè)鉑電阻廣泛應(yīng)用于工業(yè)場合，發(fā)展至今，結(jié)構(gòu)也在不斷地變化更新，目前主要有4種。

1）云母鉑電阻：將鉑絲繞在片狀邊緣有牙的云母骨架上，再由絕緣云母片及不銹鋼夾件等構(gòu)成。其特點(diǎn)是工藝簡單，成本低，但是容易污染，長期穩(wěn)定性差，阻值會逐漸變大。

2）陶瓷內(nèi)繞式：將鉑絲繞成彈簧狀，貫穿于兩孔或四孔的瓷管中，將各孔中的鉑絲進(jìn)行串聯(lián)，于一端引線引出。其優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡單，可以在低溫-200 ℃下使用，缺點(diǎn)是不能用于振動場合，這是因?yàn)樗鼉?nèi)部繞阻如垂下的電阻絲，高溫狀態(tài)下會變軟，隨著時間延長，會出現(xiàn)上部彈簧匝間距增大，下部間距減小。如有振動，下部匝間容易短路，導(dǎo)致電阻變化出現(xiàn)異常，以至測溫不準(zhǔn)。

3）膜式鉑電阻：將金屬鉑噴涂在陶瓷基片上，通過激光調(diào)阻制成。這種鉑電阻解決了前兩種形式的弊端，但是它是片狀，單面受熱，100 Ω的電阻集中在幾平方毫米的面積上，自熱系數(shù)較大，只適合通入0.5 mA激勵電流，而我國生產(chǎn)使用的二次儀表提供的電流通常為1 ～ 5 mA，因此會導(dǎo)致自熱過大影響測溫的準(zhǔn)確性。

4）整體燒結(jié)式陶瓷鉑電阻，抗震性好，響應(yīng)速度快，自熱小，可靠性穩(wěn)定性都不錯[2]。

3 現(xiàn)場校準(zhǔn)用測溫傳感器的設(shè)計(jì)與分度

由于現(xiàn)有工業(yè)鉑電阻的各種缺陷，導(dǎo)致其測溫準(zhǔn)確度無法再提高，因此考慮從兩方面來改善其準(zhǔn)確度。首先從感溫元件結(jié)構(gòu)上考慮，將鉑電阻感溫元件的結(jié)構(gòu)改造成接近標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的無應(yīng)力結(jié)構(gòu)。1990年國際溫標(biāo)規(guī)定將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為中低溫區(qū)的內(nèi)插儀器，因此，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)感溫元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是最合理的。

1）采用同一批W100（R100/R0）約等于1.385的絲材，繞制成彈簧狀，并成螺旋狀繞在十字骨架上。

2）溫度計(jì)采用的所有材料，如鉑絲，引線，十字骨架等經(jīng)過嚴(yán)格的清洗，并在無塵箱中進(jìn)行裝配，從而使鉑絲不受污染[3]。

3）制作過程中，不可避免會導(dǎo)致鉑絲產(chǎn)生很多應(yīng)力，因此制作完成后需在溫度計(jì)上限退火100 h以上，使溫度計(jì)的阻值保持穩(wěn)定。

工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)在較窄的溫度范圍內(nèi)使用，它的測溫準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都是不錯的（100 ℃以下），隨著使用溫度的增加，誤差值迅速增大。并且在工業(yè)應(yīng)用中使用鉑電阻要求互換性好，都使用統(tǒng)一的分度表，而不同廠家生產(chǎn)的各種類型的鉑電阻產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，誤差也不盡相同，從整體上來看工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)測溫準(zhǔn)確度不高[4]。因此采用同一批絲材制作了五支鉑電阻溫度計(jì)，并進(jìn)行單獨(dú)分度，可以顯著提高鉑電阻溫度計(jì)的測溫準(zhǔn)確度。

將一支溫度計(jì)在450 ℃退火2 h后，依次測量0.01 ℃、50 ℃、100 ℃、150.200 ℃、231.928 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、419.527 ℃、-196 ℃、-38.834 4 ℃時的阻值。通過密集的多點(diǎn)測量，利用最小二乘法可以準(zhǔn)確地?cái)M合出鉑電阻溫度計(jì)的溫度特性曲線[5]。如圖1，其中縱坐標(biāo)為電阻，橫坐標(biāo)為溫度。同時可以求得該溫度計(jì)的A、B常數(shù)。將溫度計(jì)低溫段的數(shù)據(jù)以及A、B常數(shù)的值帶入式（1），即可求得常數(shù)C。

用同樣的方法求得其余四支溫度計(jì)的A、B、C常數(shù)，取五支溫度計(jì)的A、B、C常數(shù)的平均值A(chǔ)′、B′、C′作為這五支溫度計(jì)的通用常數(shù)。將各溫度計(jì)的R0值，A′、B′、C′輸入配套使用的數(shù)字儀表中即完成了溫度計(jì)的分度。

圖1 現(xiàn)場校準(zhǔn)用測溫傳感器溫度-電阻關(guān)系

4 測溫傳感器誤差驗(yàn)證

將五支測溫傳感器與一支一等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)同時插入恒溫源中，示值穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)，直接進(jìn)行溫度數(shù)值的比較，經(jīng)計(jì)算得到各支溫度計(jì)的誤差（見表1）?？梢钥吹?，測溫傳感器在整個-200～ 420 ℃范圍內(nèi)，最大誤差絕對值僅為0.03 ℃，而AA級鉑電阻的誤差約為±（0.1 ～ 0.8）℃，且溫度越高，誤差越大。由此可知，測溫傳感器的研制及重新分度極大地改善了鉑電阻溫度計(jì)的測溫準(zhǔn)確度。

表1 測溫傳感器的誤差驗(yàn)證

5 結(jié)語

現(xiàn)場校準(zhǔn)用測溫傳感器的研制改善和提高了工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)的測溫準(zhǔn)確度，在現(xiàn)場校準(zhǔn)應(yīng)用中既解決了A級及AA級鉑電阻測溫準(zhǔn)確度不夠的問題，同時又可作為二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的替代品，降低了成本。經(jīng)實(shí)踐證明，現(xiàn)場校準(zhǔn)用測溫傳感器可以很好地勝任現(xiàn)場校準(zhǔn)工作。

[1] 胡文旭. 鉑電阻精密測溫研究[J]. 陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)， 2000, (12): 59-62.

[2] 趙玉柱，陳福江. 一種新型高溫抗振鉑電阻[J]. 硅谷，2009,（02）: 121.

[3] 喻秉文. 鎧裝標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的研制[J]. 宇航計(jì)測技術(shù)，1990, (4): 47-53.

[4] 朱育紅. 工業(yè)鉑電阻精確測溫的方法[J]. 中國測試技術(shù), 2007, (7): 50-52.

[5] 熊朝暉. 提高工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)的測量準(zhǔn)確度[J]. 計(jì)量與測試技術(shù), 2006, (4): 6-8.

Development of temperature sensor used in fi eld calibration

Chen Yu，Yao Lifang，Zhu Xueping
（Shanghai Institute of Measurement and testing technology）

This paper introduce a new temperature sensor which can be used in field calibration. It analyses sensor structure and calculation method of temperature coefficient of resistance, and provide experimental data. The stability analysis of this sensor shows its advantage, which has a certain practical value.

platinum resistance；calibration；accuracy of temperature measurement；temperature sensor

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012-47）