高精密一体式铂电阻数字温度计的设计与试验.pdf
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1、山东农业大学学报(自然科学版),2023,54(5):792-798VOL.54 NO.5 2023Journal of ShandongAgricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2023.05.020高精密一体式铂电阻数字温度计的设计与试验高精密一体式铂电阻数字温度计的设计与试验王馨梓1,金 磊1,李姣姣2,徐震震3,许方鹏3,王杰文4,张开兴4*1.甘肃省计量研究院,甘肃 兰州 7300702.陕西省计量科学研究院,陕西 西安 7100653.泰安磐然测控科技有限公司,山东 泰安
2、 2710004.山东农业大学机械与电子工程学院,山东 泰安 271018摘摘 要要:针对目前标准温度计价格昂贵、结构复杂、精度低等问题,本文设计了一种高精密一体式铂电阻数字温度计。首先,对铂电阻数字温度计的核心部件进行设计与选型,并对传感器接线、恒流源电路、比例测温电路等主要电路进行设计,使温度计的测温精度达到0.05;然后,对高精密一体式铂电阻数字温度计进行长期稳定性和温度冲击试验,试验结果表明,在多种工况下,温度计测温精度均可达到0.05,年稳定性在 0.1 内,复现性在 0.05 内;最后,对温度计进行不确定度分析,确定温度计的不确定度来源并计算出扩展不确定度,最终得出温度计扩展不确定
3、度约为 0.035,满足精密测温需求,可以作为常见工业温度计检定用标准器。关键词关键词:铂电阻数字温度计;一体式结构;稳定性试验;不确定度中图法分类号中图法分类号:TB942文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1000-2324(2023)05-0792-07High Precision Integrated Platinum Resistance DigitalThermometerWANG Xin-zi1,JIN Lei1,LI Jiao-jiao2,XU Zhen-zhen3,XU Fang-peng3,WANG Jie-wen4,ZHANG Kai-xing4*1.Gansu M
4、easure Graduate School,Lanzhou 730070,China2.Shanxi Institute of Metrology Science,Xi an 710065,China3.Panran Measurement and Calibration Technology Co.,Ltd.,Tai an 271000,China4.College of Mechanical and Electronic Engineering/Shandong Agricultural University,Taian 271018,ChinaAbstract:We designed
5、a high precision integrated platinum resistance digital thermometer to solve the problems aboutcomplex structure,low accuracy and expensive.First,the core components of platinum resistance digital thermometer aredesigned and selected,and the main circuits such as sensor wiring,constant current sourc
6、e circuit and proportionaltemperature measurement circuit are designed,so that the temperature measurement accuracy of the thermometer can reach0.05;then,we tested the long-term stability and temperature shock of the high-precision integrated platinum resistancedigital thermometer.The test results s
7、howed 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
8、 extendeduncertainty of the thermometer was about 0.035,this can meet the requirements of precision temperature measurementand can be used as the standard for common industrial thermometer verification.Keywords:Platinum resistance digital thermometer;integrated structure;stability test;uncertainty随着
9、科学技术的进步和制作工艺的提高,工业生产对测温精度要求越来越高,数字温度计越来越多的应用于工业、农业、生活等领域,而大量温度计的检定工作成为了新的问题1。常见的温度计检定需要标准铂电阻温度计作为标准器5,但是当前标准铂电阻温度计存在价格昂贵、结构复杂等问题,难以在实际生产中普及。为此,设计一种结构简单、价格适中的高精度温度计检定用标准器,对我国制造业发展具有非常重要的意义。近几年,国内外研究学者和机构对铂电阻数字温度进行了大量的研究6-8。美国 Fluke 公司生产的 1551A 棒式温度计体积小巧、携带方便,同样由其生产的 Fluke 51-单通道便携式温度计测温精收稿日期收稿日期:2023
10、-10-31修回日期修回日期:2023-11-11基金项目基金项目:山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目(2021TSGC1369);泰安高新区加快科技成果转化促进新动能培育计划(KJD2020140);泰安市科技创新发展项目(2021GX015)第第 1 作者简介作者简介:王馨梓(1980-),女,硕士,高级工程师,主要从事热工计量研究工作.E-mail:*通讯作者通讯作者:Author for correspondence.E-mail:第 5 期王馨梓等:高精密一体式铂电阻数字温度计的设计与试验793度可达 0.3,不仅具备超宽的测温量程,而且还配备多种温度探头;美国芝测生产的 PR
11、TXD-4 温度计测温范围覆盖-50 200,测温精度可达 0.1,整机重量仅 450 g,方便携带,可应用于多种场所;马丽萍基于 FPGA 技术研发了一套多通道热电阻测温系统,解决了一般可编程逻辑件门电路和逻辑资源紧张的问题,并减少了引线对测量结果的影响9。但目前有关于铂电阻温度计的研究大多采用分体式结构,该结构的各项性能仅能满足工业生产中的测量需求,难以满足作为标准器的使用要求。基于此,本文设计了一种一体式精密铂电阻数字温度计,其测温精度达到0.05,稳定性远超普通工业温度计,满足精密测温需求,可以作为常见工业温度计检定用标准器。1温度计工作原理与结构设计温度计工作原理与结构设计1.1工作
12、原理工作原理铂电阻温度计凭借其精度高、响应快的优点被广泛应用于高精度测量领域。铂电阻数字温度计测温利用铂电阻优异的阻温特性曲线,即铂电阻在不同温度下会表现出特定的电阻值的特点,通过AD 转换器将采集到的模拟信号转换为可被单片机识别的数字信号后传送给单片机,单片机使用内嵌公式10将接收到的数字信号转换为当前铂电阻的电阻值,随后利用内嵌的温度计分度公式确定被测物体的温度并将温度显示在屏幕上。铂电阻阻值与温度的关系如式(1)、(2)所示:在-200 0 范围内:2301100IttWR RAtBtC tt(1)在 0850 范围内:201IttWR RAtBt(2)1.2主要硬件设计主要硬件设计高精
13、密一体式铂电阻数字温度计由铂电阻传感器、传感器接头、恒流源、AD 转换器、处理器、按键及屏幕等部分组成,主机尺寸为 104 mm46 mm30 mm,整机结构如图 1 所示。温度计设计为一体式结构,铂电阻传感器直接焊接在 PCB 板上,提高了温度计测温精度和使用安全性。铂电阻传感器 传感器接头 处理器 电源 PCB 板 显示屏图图 1 铂电阻数字温度计结构铂电阻数字温度计结构图图Fig.1 Structure diagram of platinum resistance digital thermometer1.2.1 铂电阻传感器设计选型 根据在 0 时的电阻值不同可以将铂电阻传感器分为 P
14、T10、PT25、PT100、PT1000 等分度,如:若铂电阻在 0 时电阻值为 10 则其分度为 PT10。PT10 分度的铂电阻传感器测温范围为-200 850,因其铂电阻丝直径较大,耐温性能较好,常被应用于 660 以上的温度测量任务中。PT100 铂电阻传感器中的铂电阻丝的直径仅为 PT10 的 1/10,因此其对温度变化表现的更为敏感,这就降低了对二次仪表的精度要求,低于 660 的温度测量任务常使用 PT100作为温度传感器。根据设计要求,本文选择 PT100 作为温度计传感器11。图 2 为 PT100 温度传感器实物图。794山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷图图 2
15、 PT100 温度传感器实物图温度传感器实物图Fig.2 Physical drawing of the PT100 temperature sensor1.2.2 温度计屏幕、按键设计 按键和屏幕是人机交互的重要组成部分。考虑到单片机的引脚资源分配问题,温度计选用矩阵式键盘,使用 8255 芯片将单片机单个串行 I/O 口扩展为四个并行 I/O 口,温度计屏幕选用 LCD 显示器以方便用户更直观的了解温度计的当前状态。温度计按键、显示模块位置分布如图 3(a)所示。1.2.3 传感器接头设计 传感器接头的整体外形采用锥形设计,减少其与传感器热交换的面积,尾部面积较大,通过增大散热面积的方式减
16、少传入电测部分的热量。接头尾部上侧有四个凸台,用于温度计开关按键套的固定,同时将接头与上盖固定,防止接头在使用时晃动;中部镂空设计用来安放温度计开关按键;下侧开双孔,其中前侧孔使用螺栓将接头与温度计下侧外壳固定,后侧孔用来穿过温度计上下盖以固定螺栓,这样即使零件前侧受热熔化或因操作不当导致损坏,零件也不会从外壳上脱落。传感器接头结构如 3(b)所示。设置键 上方向键 下方向键 确定键 开机键(a)(b)图图 3 数字温度计正面及铂电阻传感器接头数字温度计正面及铂电阻传感器接头Fig.3 Front view of a digital thermometer and platinum resis
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