PT100鉑熱電阻標(biāo)定的試驗(yàn)研究

胡琛琛

（江蘇師范大學(xué)，江蘇徐州221000）

PT100鉑熱電阻標(biāo)定的試驗(yàn)研究

胡琛琛

（江蘇師范大學(xué)，江蘇徐州221000）

在降溫條件下對(duì)PT100鉑熱電阻和銅-康銅熱電偶標(biāo)定系數(shù)的試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示：PT100標(biāo)定結(jié)果為一次線性方程，標(biāo)定系數(shù)k值都近似為1，b值都近似為0，不需要標(biāo)定可直接使用；銅-康銅熱電偶因標(biāo)定系數(shù)b值較大，必須標(biāo)定使用。

巖土工程；PT100熱電阻；標(biāo)定系數(shù)

引言

溫度傳感器廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域和實(shí)際工程，目前較多使用的溫度傳感器主要分為兩類：熱電偶和熱電阻。其中，PT100鉑熱電阻（以下簡(jiǎn)稱PT100）體積小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、防水抗震、穩(wěn)定性好［1］；銅-康銅熱電偶根據(jù)熱電勢(shì)之差測(cè)溫［2］，具有在低溫下工作性能良好，性價(jià)比高的特點(diǎn)。PT100和銅-康銅熱電偶較多應(yīng)用于地鐵隧道等地下空間凍結(jié)法施工中凍結(jié)體的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

PT100鉑熱電阻的電阻值與溫度之間一一對(duì)應(yīng)，兩者存在正比例單調(diào)函數(shù)關(guān)系［3-4］：

由上述鉑電阻的電阻值和溫度函數(shù)關(guān)系可看出，鉑電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系式并不是始終一致，在0℃前后發(fā)生改變。選用鉑電阻開展地下工程巖土凍結(jié)法施工監(jiān)測(cè)時(shí)，土由正溫逐漸凍結(jié)降為負(fù)溫，土中水發(fā)生相變后對(duì)土的溫度測(cè)量需要切換計(jì)算公式：先根據(jù)溫度選擇計(jì)算公式，測(cè)量得到電阻值，然后反解公式得到測(cè)點(diǎn)溫度，而且式中參數(shù)A、B、C在特定情況下仍需要修正［5］，較為繁瑣。Datataker（DT）是一種極為先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集儀，PT100配合DT使用，DT測(cè)得電阻值后可自動(dòng)根據(jù)進(jìn)行換算直接得到對(duì)應(yīng)溫度，非常方便。本文開展±20℃范圍內(nèi)降溫條件下，利用DT對(duì)PT100鉑電阻和銅-康銅熱電偶進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定修正和對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。

1　試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)，見圖1，由溫度傳感器、DT數(shù)據(jù)采集儀、水銀溫度計(jì)、冷浴降溫設(shè)備、PC端監(jiān)測(cè)軟件等組成。銅-康銅熱電偶，分度號(hào)為T型，靈敏度可達(dá)到16～38μV/K。PT100鉑電阻，規(guī)格為裝配式、二線制，精度達(dá)到0.1℃。水銀溫度計(jì)精度0.1℃。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1。

圖1　DT數(shù)據(jù)采集儀PT100（左下）、銅-康銅熱電偶（右下）

表1　試驗(yàn)方案表

1.2試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程和方法見下：1）在冷浴降溫設(shè)備內(nèi)裝入酒精溶液作為冷媒，設(shè)定降溫設(shè)備使酒精溶液溫度保持在20℃；2）將四只PT100和2只銅-康銅熱電偶編號(hào)，兩類溫度傳感器探頭緊密綁扎在水銀溫度計(jì)測(cè)溫端周圈成簇狀，同時(shí)測(cè)量酒精溶液中心位置同一測(cè)溫點(diǎn)的溫度，傳感器及水銀溫度計(jì)通過磁力吸座固定；3）啟動(dòng)冷浴設(shè)備，酒精溶液環(huán)向循環(huán)流動(dòng)使溶液溫度場(chǎng)各處一致，酒精溫度連續(xù)降至器讀數(shù)由DT數(shù)據(jù)采集儀PC端監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)讀出，每間隔30 s記錄保存一次水銀溫度計(jì)和溫度傳感器測(cè)溫值。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

以水銀溫度計(jì)作為測(cè)溫點(diǎn)的溫度標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)定校核溫度傳感器測(cè)值。兩者關(guān)系可利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件對(duì)進(jìn)行擬合。三組試驗(yàn)擬合結(jié)果表明，兩類傳感器的測(cè)溫值和標(biāo)準(zhǔn)值之間的擬合曲線都可以用一次線性方程y=kx+b表示，該數(shù)學(xué)模型中x表示溫度傳感器測(cè)值，y表示溫度標(biāo)準(zhǔn)值，k為擬合斜率，b為擬合截距。

表2　PT100擬合標(biāo)定系數(shù)

表3　銅-康銅熱電偶擬合標(biāo)定系數(shù)

1）兩類溫度傳感器擬合曲線均為一次線性方程，線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，線性回歸情況極好，擬合曲線可作為傳感器標(biāo)定曲線。

2）通過對(duì)表2中數(shù)據(jù)橫向比較，對(duì)于同一只PT100，改變?cè)囼?yàn)方案，無論在正溫還是在負(fù)溫情況下降溫標(biāo)定，k值和b值改變很小，說明利用DT對(duì)PT100進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，可認(rèn)為標(biāo)定系數(shù)在0℃前后沒有發(fā)生改變。

3）通過對(duì)表2中數(shù)據(jù)縱向比較，4只PT100的標(biāo)定系數(shù)近乎相同。

4）綜觀表2，PT100傳感器標(biāo)定系數(shù)k值近似為1，b值十分微小，可以忽略不計(jì)，因此PT100在一般使用中不需要標(biāo)定校核，連接到DT數(shù)據(jù)采集儀直接讀數(shù)。

5）由表3可知，銅-康銅熱電偶線標(biāo)定系數(shù)b值平均為2.21，標(biāo)定擬合曲線明顯偏離坐標(biāo)原點(diǎn)，傳感器測(cè)值經(jīng)標(biāo)定后才能滿足使用要求。

3　結(jié)語(yǔ)

1）PT100和銅-康銅熱電偶的線性相關(guān)系數(shù)都大于0.99，擬合理想，傳感器測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)溫度值之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系，兩者之間關(guān)系可用線性表達(dá)式進(jìn)行描述。

2）相比較傳統(tǒng)電阻標(biāo)定方法，利用DT標(biāo)定PT100溫度傳感器的方法求解標(biāo)定系數(shù)方便，較為簡(jiǎn)單易行：PT100溫度傳感器使用DT標(biāo)定時(shí)，在0℃前后的標(biāo)定系數(shù)沒有發(fā)生改變，正溫和負(fù)溫范圍內(nèi)都具有相同的一次線性標(biāo)定公式且線性相關(guān)系數(shù)接近于1；而傳統(tǒng)的電阻標(biāo)定公式需要在0℃前后需要切換公式，且為二次多項(xiàng)式。

3）不同個(gè)體PT100傳感器的標(biāo)定參數(shù)差異極??；由于PT100標(biāo)定系數(shù)k值都近似為1，b值可忽略不計(jì)，因此在實(shí)際工程中精度要求不高的情形下，PT100連接到DT數(shù)據(jù)采集儀后可不需要標(biāo)定，讀數(shù)即可認(rèn)為是測(cè)點(diǎn)實(shí)際真實(shí)值，直接使用。

4）銅-康銅熱電偶雖標(biāo)定系數(shù)b值在較大，如不標(biāo)定直接使用，傳感器測(cè)值比實(shí)際真實(shí)溫度大2.3℃左右，偏差較大，明顯影響凍結(jié)范圍的計(jì)算確定，需要經(jīng)過標(biāo)定才能投入使用。

［1］于瑩瑩.新型PT100傳感器智能溫度測(cè)量系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.電大理工，2010（1）:27-28.

［2］宋德華，高鴻春.低溫?zé)犭娕迹跰］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1992.

［3］吳大軍，楊?yuàn)檴?，邱成?基于最小二乘法的PT100曲線擬合算法的研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（20）:11 989-11 990.

［4］王生鐵，王志和.鉑電阻溫度傳感器非線性校正的新方法［J］.儀表技術(shù)與傳感器技術(shù)，1998（2）:40-43.

［5］孫云霞，呂國(guó)義.提高溫度傳感器測(cè)試精確性的方法［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2009，29（3）:26-28.

（編輯：王慧芳）

Experimental Research on the Calibration of PT100

Hu Chenchen
（Jiangsu Normal University，Xuzhou Jiangsu 221000）

An aim of our experiments was to determine the influence of temperature on the calibration of PT100 and copper-constancy thermonuclear temperature sensors in cooling process，Results indicate that PT100 can be directly put into use without any calibration，however it is otherwise for copper-constancy thermoplastics.

geotechnical engineering；PT100；calibration coefficients

TU9

A

2095-0748（2015）21-0038-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.17

2015-10-12

胡琛琛（1985—），男，江蘇徐州人，工學(xué)碩士，工程師，職稱初級(jí)，研究方向：地下空間巖土工程。