高精密一体式铂电阻数字温度计的设计与试验

王馨梓,金磊,李姣姣,徐震震,许方鹏,王杰文,张开兴

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 730070 2. 陕西省计量科学研究院, 陕西 西安 710065 3. 泰安磐然测控科技有限公司, 山东 泰安 271000 4. 山东农业大学机械与电子工程学院, 山东 泰安 271018

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。

铂电阻数字温度计；一体式结构；稳定性试验；不确定度

随着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-Ⅱ单通道便携式温度计测温精度可达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PRTXD-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

1.1 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：

在0～850 ℃范围内：

1.2 主要硬件设计

高精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 mm×46 mm×30 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。

①铂电阻传感器②传感器接头③处理器④电源⑤PCB板⑥显示屏

1.2.1 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PT10、PT25、PT100、PT1000等分度，如：若铂电阻在0 ℃时电阻值为10 Ω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。

图2 PT100温度传感器实物图

1.2.2 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。

图 3 数字温度计正面及铂电阻传感器接头

1.3 温度计主要电路设计

本文将铂电阻四线式接线电路、0温漂恒流源电路和比例测温电路应用于温度计，使温度计的测温精度达到±0.05 ℃，满足精密测温需求。温度计系统结构图如图4所示。

图 4 数字温度计系统结构图

1.3.1 传感器四线式接法设计对于测量精度要求较高的温度测量仪表，通常采用四线式接线法。四线式接线法是将铂电阻两端分别接入四根引线，其中两根作为电源线，另外两根作为信号线。这种接线方式虽然引线较多，但没有电桥存在，因此引线电阻产生的误差只与信号线电阻有关，通过校准可以完全消除引线电阻对测量结果的影响[12]。铂电阻四线式接线如图5(a)所示。

1.3.2 高精度恒流源设计恒流源的准确度和稳定性与温度计测温的精度和稳定性息息相关。通过对比最终选择了LM334作为本文所设计一体式精密铂电阻数字温度计的恒流源芯片，并参考其技术手册设计了0温漂恒流源电路，电路图如图5(b)所示。

图 5 电阻四线式接线电路与恒流源电路图

恒流源输出电流为：

其中：

对式（3）两边关于温度求导可得：

由比例关系可得：

由式（10）可得：

由式（8）可知，比例电阻测温法可以消除ADS122X内部增益带来的误差，并且可以消除恒流源受环境影响带来的误差，使得最终测得的铂电阻值准确度只与参考电阻准确度和AD转换器模数转换精度有关。

2 温度计稳定性试验研究

铂电阻温度计的稳定性是指温度计的计量特性保持恒定、不随时间变化的能力，是衡量温度计计量性能的重要指标。目前常用验证铂电阻温度计稳定性的方法有JJG229-2010《工业铂、铜热电阻》中验证铂电阻长期稳定性的方法和冷热冲击试验[13]，本研究基于以上两种方法进行大量相关试验，充分验证精密铂电阻温度计的稳定性。

2.1 长期稳定性试验

为验证高精密一体式铂电阻数字温度计的长期稳定性，任选六只温度计，将温度计依次插入制备好的水三相点瓶，待温度计示数稳定后循环读数两次，由于水三相点温度为0.01 ℃，因此需要将测量结果减去0.01 ℃，得到温度计在0 ℃点的实际测量温度；之后对温度计进行300 ℃连续672 h退火，对退火后的温度计再次进行0 ℃检定，上述试验步骤重复进行五次。试验中的温度计如图6所示，试验数据如图7所示。

图 6 试验中的温度计

图 7 温度计退火前后示值误差变化趋势折线图

由试验数据可以看出，多次退火后，温度计误差范围不超过±0.05 ℃，相邻两次退火误差变化范围不超过±0.015 ℃，温度计年稳定性约为0.03 ℃，复现性约为0.015 ℃[14]，满足精密测温需求。

2.2 温度冲击试验

为尽可能模拟温度计可能存在的工作情况，针对本精密铂电阻温度计设计了高低温循环老化试验，测试温度计在极限工况下的稳定性。任选6支精密铂电阻数字温度计，依次插入热管恒温槽进行温度计上限温度老化6 h，结束后将温度计依次插入制冷恒温槽进行下限温度老化3 h，结束后将温度计再次插入热管恒温槽进行3 h上限温度老化。上述试验每天进行1次，每5 d为一个试验周期，共进行12个周期，每个周期结束后用水三相点瓶对温度计进行0 ℃检定。试验数据如图8所示。

图 8 冷热冲击试验中温度计示值误差变化趋势折线图

由试验数据可以看出，在冷热冲击试验下的精密铂电阻温度计在0 ℃的示值误差大多在±0.05 ℃以内，年稳定性约为0.1 ℃，复现性约为0.05 ℃，满足精密测温需求，可替代标准温度计作为常见工业温度计检定用标准器。

3 不确定度分析

不确定度是指在测量过程中，由于误差的存在导致测量值相较于真值的偏差程度，是衡量温度计综合性能的重要指标[15,16]。一体式铂电阻数字温度计的不确定度主要来自于标准器、恒温槽、寄生电势、电测设备、铂电阻和环境温度。

铂电阻数字温度计的各不确定度分量及扩展不确定度如表1所示，精密铂电阻温度计的扩展不确定度不超过0.035 ℃，可以满足精密测温的需求。

表 1 温度计标准不确定度分量及扩展不确定度

4 结 论

（1）根据铂电阻温度计测温原理，对温度计一体式外形结构和硬件进行设计与选型，通过比例法测温电路和传感器四线式接线法，有效减少了引线对测量结果的影响，显著提高了温度计的测温精度和稳定性；

（2）设计高精密一体式铂电阻数字温度计稳定性试验，分别进行长期稳定性试验和温度冲击试验，试验结果表明温度计在多种工况下测温精度均在±0.05 ℃内，本文设计的高精密一体式铂电阻数字温度计可以满足精密测温的需求；

（3）对高精密一体式铂电阻数字温度计进行不确定度评定，从标准器、自热效应、环境温度、试验仪器等多个方面分别计算不确定度分量，最后将各不确定度分量合成，合成后的扩展不确定度在0.035 ℃以内。

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High Precision Integrated Platinum Resistance Digital Thermometer

WANG Xin-zi1, JIN Lei1, LI Jiao-jiao2, XU Zhen-zhen3, XU Fang-peng3, WANG Jie-wen4, ZHANG Kai-xing4*

1.730070,2.710065,3.271000,4.271018,

We designed a high precision integrated platinum resistance digital thermometer to solve the problems about complex structure, low accuracy and expensive. First, the core components of platinum resistance digital thermometer are designed and selected, and the main circuits such as sensor wiring, constant current source circuit and proportional temperature measurement circuit are designed, so that the temperature measurement accuracy of the thermometer can reach ±0.05 ℃; then, we tested the long-term stability and temperature shock of the high-precision integrated platinum resistance digital thermometer. The test results showed 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 extended uncertainty of the thermometer was about 0.035 ℃, this can meet the requirements of precision temperature measurement and can be used as the standard for common industrial thermometer verification.

Platinum resistance digital thermometer; integrated structure; stability test; uncertainty

TB942

A

1000-2324(2023)05-0792-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.05.020

2023-10-31

2023-11-11

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)

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:10013525@qq.com

Author for correspondence. E-mail:kaixingzhang@139.com