鉑電阻溫度計(jì)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣　博　丁　炯　李錦花　陳丹超　葉樹亮

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所1，浙江 杭州　310018；寧波出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心2，浙江 寧波　315012)

鉑電阻溫度計(jì)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣博1丁炯1李錦花2陳丹超2葉樹亮1

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所1，浙江 杭州310018；寧波出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心2，浙江 寧波315012)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)定方法工作量大、效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。系統(tǒng)采用VB6.0作為軟件開發(fā)平臺(tái)，編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)溫度源、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)，同時(shí)調(diào)用Excel進(jìn)行溫度計(jì)標(biāo)定數(shù)據(jù)的自動(dòng)擬合。根據(jù)標(biāo)定設(shè)備的硬件配置，計(jì)算得到系統(tǒng)的不確定度小于0.02 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在-40～150 ℃的標(biāo)定溫度范圍內(nèi)，標(biāo)定后的溫度計(jì)測(cè)量誤差小于±0.03 ℃。

關(guān)鍵詞：鉑電阻溫度計(jì)色譜儀傳感器信號(hào)調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換器自動(dòng)標(biāo)定VB6.0不確定度

0引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)溫度測(cè)量的精度要求也越來(lái)越高。例如，色譜儀在其工作溫度范圍內(nèi)溫度要求優(yōu)于0.1 ℃，步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)在其工作溫度范圍內(nèi)溫度要求優(yōu)于0.01 ℃等[1]。鉑電阻溫度傳感器具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在高精密溫度測(cè)量系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。但由于鉑電阻個(gè)體差異較大，存在一定的時(shí)間漂移及測(cè)溫電路老化等因素，在使用之前，必須對(duì)鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，才可確保在使用過(guò)程中得到的溫度數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。然而傳統(tǒng)的鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)定是由手工完成的，標(biāo)定過(guò)程中熱源升溫及恒溫時(shí)間的控制，鉑電阻傳感器采集數(shù)據(jù)的記錄，以及后續(xù)數(shù)據(jù)的處理均由人為控制和計(jì)算。這種方法工作量大、耗時(shí)較長(zhǎng)、容易出錯(cuò)，并且實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能充分利用，效率低下。

針對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)定系統(tǒng)勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低等缺點(diǎn)，本文以計(jì)算機(jī)作為主體，利用VB6.0和Excel軟件作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了鉑電阻溫度計(jì)的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)熱源升溫、降溫、恒溫保持時(shí)間的自動(dòng)控制，數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集保存，以及后續(xù)數(shù)據(jù)的自動(dòng)擬合，完成信號(hào)調(diào)理電路和鉑電阻傳感器組成的測(cè)溫系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)定。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

采用比較法進(jìn)行鉑電阻溫度計(jì)的標(biāo)定是工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室常用的方法。其原理是將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和待標(biāo)定的鉑電阻溫度計(jì)置于同一熱源中，分別測(cè)得溫度值和電阻值。再以標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)采集的溫度值為標(biāo)準(zhǔn)溫度，繪制出鉑電阻溫度計(jì)的電阻-溫度特性曲線，并擬合出曲線函數(shù)[2]。最后將函數(shù)固化到鉑電阻溫度計(jì)的MCU中，即完成標(biāo)定。本文設(shè)計(jì)的標(biāo)定系統(tǒng)采用比較法對(duì)鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定，標(biāo)定對(duì)象是鎧裝的Pt100鉑電阻和自制信號(hào)調(diào)理電路組成的鉑電阻溫度計(jì)，而選用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為對(duì)比原件。

1.1待標(biāo)定鉑電阻溫度計(jì)

待標(biāo)定的鉑電阻溫度計(jì)由工業(yè)鉑電阻Pt100和自制的信號(hào)調(diào)理電路組成。信號(hào)調(diào)理電路由精密電阻REF、AD7793及STM32F103組成。鉑電阻測(cè)溫電路圖如圖1所示。

圖1　鉑電阻測(cè)溫電路圖

電路采用阻值比較法的測(cè)溫原理，可有效消除恒流源波動(dòng)對(duì)A/D采樣值的影響[3]。為了消除鉑電阻引線電阻引入的測(cè)量誤差，Pt100選用三線制接線方法。電路核心部件AD7793是Analog Device公司生產(chǎn)的適用于高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗A/D轉(zhuǎn)換器。使用其內(nèi)部集成的恒流源作為鉑電阻的驅(qū)動(dòng)電流，使用其內(nèi)部集成的儀表放大器對(duì)傳感器微弱信號(hào)進(jìn)行放大，并最終通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。采用AD7793 A/D轉(zhuǎn)換器，有效地減小了系統(tǒng)的體積，并降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。AD7793將轉(zhuǎn)換后的電壓輸入到MCU中，由MCU完成電壓信號(hào)到阻值信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再將阻值轉(zhuǎn)換為溫度值。然后通過(guò)RS-232串口通信技術(shù)，將溫度值發(fā)送至計(jì)算機(jī)中顯示。

1.2鉑電阻的非線性特性

在高精度的溫度測(cè)量中，需考慮鉑電阻的電阻值與溫度之間存在的非線性關(guān)系。根據(jù)鉑電阻的溫度特性，鉑電阻阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系為：

Rt=r0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

(1)

式中:Rt和R0分別為鉑電阻在t ℃和0 ℃時(shí)的電阻值；t為被測(cè)溫度。

對(duì)于溫度系數(shù)是0.003 851的鉑電阻，A、B、C的取值為：

A=3.908 3×10-3/℃

B=-5.775×10-7/℃

以測(cè)量溫度大于0 ℃時(shí)的Pt100為例，鉑電阻阻值隨溫度變化的斜率為：

(2)

由式(2)可見(jiàn)，被測(cè)量的溫度t越高，鉑電阻的非線性越嚴(yán)重。由于式中B為負(fù)值，隨著溫度的升高，鉑電阻阻值隨溫度變化的斜率下降，因此將鉑電阻電阻值-溫度值特性曲線擬合為指數(shù)或線性方式的誤差都比較大，無(wú)法達(dá)到高精度的要求[4]。常用的減小鉑電阻非線性誤差的方法有多項(xiàng)式擬合法、查表法、插值計(jì)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]和牛頓迭代逼近法[6]等。查表法和插值計(jì)算法求取溫度值較簡(jiǎn)單，但需要存放大量的鉑電阻分度表數(shù)據(jù)，并且由于不同鉑電阻傳感器之間的個(gè)體性差異，導(dǎo)致兩種方法的精度不高；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和牛頓迭代逼近法計(jì)算量大、運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，不適用于快速高精度溫度測(cè)量應(yīng)用；多項(xiàng)式擬合法既不占用大量?jī)?nèi)存，又具有合適的計(jì)算復(fù)雜度，且可以通過(guò)提高多項(xiàng)式次數(shù)減小曲線的擬合誤差，提高鉑電阻測(cè)溫的精度。因此，在本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)中，采用了多項(xiàng)式擬合法進(jìn)行鉑電阻阻值與溫度之間的擬合。

1.3系統(tǒng)的硬件配置

根據(jù)溫度計(jì)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和實(shí)際應(yīng)用，需搭建一個(gè)自動(dòng)化的標(biāo)定平臺(tái)。通過(guò)此平臺(tái)，由計(jì)算機(jī)對(duì)標(biāo)定過(guò)程進(jìn)行控制，以及數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集和儲(chǔ)存；熱源通過(guò)RS-232向計(jì)算機(jī)VB程序中傳送數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理來(lái)對(duì)熱源內(nèi)的溫度進(jìn)行跟蹤測(cè)量和控制，并及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)其穩(wěn)定程度進(jìn)行判斷；標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x表和待標(biāo)定鉑電阻溫度計(jì)同時(shí)通過(guò)RS-232向計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)，并以.xlsx文件保存在計(jì)算機(jī)硬盤中；計(jì)算機(jī)對(duì)同步采集到的數(shù)據(jù)在Excel環(huán)境下進(jìn)行擬合處理，所得到的擬合曲線即為待標(biāo)定鉑電阻溫度計(jì)電阻值-溫度值特性曲線。

標(biāo)定系統(tǒng)的硬件配備及數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2　標(biāo)定系統(tǒng)的硬件配備及數(shù)據(jù)流程圖

在本文設(shè)計(jì)中，使用由美國(guó)福祿克公司出品的Fluke7341恒溫槽來(lái)提供熱源；高精度測(cè)溫儀Fluke1529和二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Fluke5626組成的二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為計(jì)量?jī)x表，并以測(cè)溫儀Fluke1529輸出的溫度值作為標(biāo)準(zhǔn)溫度；由鎧裝的Pt100鉑電阻和自制的測(cè)試板組成的鉑電阻溫度計(jì)作為待標(biāo)定的溫度計(jì)。

1.4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件使用的主要開發(fā)環(huán)境為VB 6.0和Excel，其中VB可視化界面的設(shè)計(jì)風(fēng)格具有高效、簡(jiǎn)單、易學(xué)的特點(diǎn)，已經(jīng)成為眾多開發(fā)人員常用的工具，并且被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。VB的MSComm控件[7]，只需要編寫少量的程序代碼即可完成多串口通信的功能，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)同時(shí)與恒溫槽、測(cè)溫儀、測(cè)試板的串口通信。VB使用ActiveX自動(dòng)化技術(shù)調(diào)用Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能[8]，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的擬合和擬合誤差的求解及誤差分析，可以彌補(bǔ)VB在數(shù)據(jù)處理方面編程難度大、開發(fā)效率低的難題。其中軟件的主界面部分是由VB6.0語(yǔ)言編寫的，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)儀器的端口設(shè)置、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、恒溫槽溫度值的設(shè)置、標(biāo)定數(shù)據(jù)的顯示、擬合函數(shù)的顯示、擬合誤差的顯示、數(shù)據(jù)保存等主要功能。在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集部分，通過(guò)VB內(nèi)部調(diào)用Excel軟件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在Excel中實(shí)時(shí)顯示，并保存。另外，在數(shù)據(jù)擬合部分，通過(guò)VB將控件MSFlexGrid中顯示的標(biāo)定數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中，由VB控制Excel自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式擬合，并調(diào)出Excel自動(dòng)生成的擬合公式及擬合誤差，使其顯示在VB的界面中，實(shí)現(xiàn)鉑電阻溫度計(jì)的自動(dòng)標(biāo)定。

軟件主操作流程如圖3所示。在操作界面中，使用frame控件將每部分隔開，使得界面更清晰明了。

恒溫槽端口及溫度點(diǎn)設(shè)置部分主要用來(lái)顯示和配置恒溫槽的通信端口，以及標(biāo)定使用的理論溫度點(diǎn)；Fluke1529端口設(shè)置和信號(hào)調(diào)理電路端口設(shè)置部分，分別用來(lái)顯示和配置測(cè)溫儀和信號(hào)調(diào)理電路的通信端口；數(shù)據(jù)保存地址部分主要用來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的保存位置；標(biāo)定數(shù)據(jù)部分采用外部控件MSFlexGrid來(lái)顯示標(biāo)定使用的數(shù)據(jù)，包括信號(hào)調(diào)理電路輸出的電阻值和測(cè)溫儀Fluke1529輸出的溫度值；設(shè)置殘差值部分用來(lái)設(shè)置多項(xiàng)式擬合時(shí)預(yù)期的最大擬合誤差值，在數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合時(shí)，程序會(huì)根據(jù)設(shè)置的殘差值，不斷改變擬合公式的階數(shù)來(lái)滿足擬合公式誤差值小于所設(shè)定殘差值的要求；實(shí)際殘差值部分用來(lái)顯示擬合公式的實(shí)際擬合誤差值；擬合函數(shù)部分用來(lái)顯示數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果，即擬合得到的鉑電阻溫度計(jì)電阻值-溫度值特性曲線的方程式；單擊“發(fā)送公式”按鍵，可將系統(tǒng)擬合好的方程式固化到鉑電阻溫度計(jì)的MCU中。至此，就完成了鉑電阻溫度計(jì)的全部標(biāo)定工作。

圖3　主程序流程圖

2系統(tǒng)的不確定度分析

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)中測(cè)量?jī)x器的技術(shù)資料及其特性的了解，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定[9]。系統(tǒng)中不確定度的影響因素有：二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Fluke5626的不確定度B1和漂移量B2，恒溫槽Fluke7341的均勻性B3和穩(wěn)定性B4，高精度測(cè)溫儀Fluke1529的讀數(shù)精度B5。以上各標(biāo)準(zhǔn)不確定的分量互不相關(guān)，并且靈敏系數(shù)為1，故合成不確定度U為[10]：

(3)

在不同的溫度下，系統(tǒng)的不確定度分量和合成不確定度如表1所示。

由表1可知，標(biāo)定系統(tǒng)的不確定度最大值是在150 ℃時(shí)，即在-40～150 ℃溫度范圍內(nèi)，標(biāo)定系統(tǒng)的不確定度小于0.02 ℃。取k=2，得擴(kuò)展不確定度小于0.04 ℃。

表1　標(biāo)定系統(tǒng)的不確定度

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

基于上述標(biāo)定系統(tǒng)，對(duì)1.1節(jié)中描述的待標(biāo)定鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行了自動(dòng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。在-40～150 ℃之間均勻抽取39個(gè)溫度點(diǎn)，F(xiàn)luke1529測(cè)溫儀每秒采樣1次,對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行4 min數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而對(duì)所得的240個(gè)測(cè)量結(jié)果求取平均，并通過(guò)測(cè)溫儀對(duì)所測(cè)標(biāo)準(zhǔn)溫度和待標(biāo)定鉑電阻溫度計(jì)輸出結(jié)果組成的39組數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。在標(biāo)定系統(tǒng)界面中輸入擬合誤差，預(yù)期小于0.015 ℃，系統(tǒng)自動(dòng)利用Excel中多項(xiàng)式擬合的功能，以鉑電阻溫度計(jì)輸出的電阻值為自變量，以Fluke1529測(cè)溫儀輸出的標(biāo)準(zhǔn)溫度值為因變量，經(jīng)過(guò)多次的數(shù)據(jù)擬合和擬合誤差值與設(shè)定值的比較分析，擬合出關(guān)于溫度值與電阻值的四次多項(xiàng)式，并計(jì)算出公式的擬合誤差小于0.013 ℃。最后，單擊“發(fā)送公式”按鍵，將擬合的四次多項(xiàng)式固化到鉑電阻溫度計(jì)的MCU中，即可完成鉑電阻溫度計(jì)的標(biāo)定工作。

用標(biāo)定好的鉑電阻溫度計(jì)在恒溫槽中進(jìn)行測(cè)試，與高精度測(cè)溫儀Fluke1529(外接二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì))進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如表2所示。

表2　對(duì)比結(jié)果

由表2可知，鉑電阻溫度計(jì)經(jīng)過(guò)標(biāo)定后，溫度計(jì)的測(cè)量誤差小于±0.03 ℃，達(dá)到了很高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

4結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，充分利用了VB友好的可視界面與Excel數(shù)據(jù)處理功能，進(jìn)行兩者的混合編程，實(shí)現(xiàn)了鉑電阻溫度計(jì)[11-12]標(biāo)定的自動(dòng)化和可視化，減少了人為誤差，縮短了標(biāo)定所使用的時(shí)間，同時(shí)提高了設(shè)備的使用率，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的標(biāo)定效果。另外，該標(biāo)定系統(tǒng)還具有很好的開放性，只需更換配有RS-232接口的恒溫槽和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x，即可標(biāo)定不同溫度范圍內(nèi)不同精度等級(jí)的多類溫度計(jì)。

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Design of the Automatic Calibration System for Platinum Resistance Thermometer

Abstract：Aiming at the problems of large amount of labor and low efficiency in the traditional calibration method of platinum resistance thermometer,an automatic calibration system is designed based on computer.The system adopts VB6.0 as the software development platform,the automatic control,data acquisition and storage of temperature source and standard thermometer are realized by programming in computer; and the calibration data of thermometer are automatically fitted by calling Excel.Depending on the hardware configuration of calibration device,the uncertainty of the system is less than 0.02 ℃,and the experimental results indicate that the measurement error of the calibrated thermometer is less than ±0.03 ℃ within in the calibration temperature range of -40～150 ℃.

Keywords:Platinum resistance thermometerChromatographSensorSignal conditioning circuitA/D converterAutomatic calibrationVB6.0Uncertainty

中圖分類號(hào)：TH811;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605018

浙江省科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2014C33114);

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2014IK075) 。

修改稿收到日期：2015-09-09。

第一作者蔣博(1990-)，男，現(xiàn)為中國(guó)計(jì)量學(xué)院儀器儀表工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器等方向的研究工作。