鉑電阻溫度計自動標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計

蔣　博　丁　炯　李錦花　陳丹超　葉樹亮

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

鉑電阻溫度計自動標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計

蔣博1丁炯1李錦花2陳丹超2葉樹亮1

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

摘要：針對傳統(tǒng)鉑電阻溫度計標(biāo)定方法工作量大、效率低的問題，設(shè)計了一套基于計算機(jī)的自動標(biāo)定系統(tǒng)。系統(tǒng)采用VB6.0作為軟件開發(fā)平臺，編程實現(xiàn)計算機(jī)對溫度源、標(biāo)準(zhǔn)溫度計的自動控制、數(shù)據(jù)采集及存儲，同時調(diào)用Excel進(jìn)行溫度計標(biāo)定數(shù)據(jù)的自動擬合。根據(jù)標(biāo)定設(shè)備的硬件配置，計算得到系統(tǒng)的不確定度小于0.02 ℃。實驗結(jié)果表明，在-40～150 ℃的標(biāo)定溫度范圍內(nèi)，標(biāo)定后的溫度計測量誤差小于±0.03 ℃。

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

0引言

近年來，隨著工業(yè)測量技術(shù)的發(fā)展，對溫度測量的精度要求也越來越高。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，在高精密溫度測量系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。但由于鉑電阻個體差異較大，存在一定的時間漂移及測溫電路老化等因素，在使用之前，必須對鉑電阻溫度計進(jìn)行標(biāo)定，才可確保在使用過程中得到的溫度數(shù)據(jù)真實可靠。然而傳統(tǒng)的鉑電阻溫度計標(biāo)定是由手工完成的，標(biāo)定過程中熱源升溫及恒溫時間的控制，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算。這種方法工作量大、耗時較長、容易出錯，并且實驗設(shè)備不能充分利用，效率低下。

針對傳統(tǒng)標(biāo)定系統(tǒng)勞動強(qiáng)度大、工作效率低等缺點，本文以計算機(jī)作為主體，利用VB6.0和Excel軟件作為開發(fā)平臺，設(shè)計了鉑電阻溫度計的自動標(biāo)定系統(tǒng)。通過對熱源升溫、降溫、恒溫保持時間的自動控制，數(shù)據(jù)的自動采集保存，以及后續(xù)數(shù)據(jù)的自動擬合，完成信號調(diào)理電路和鉑電阻傳感器組成的測溫系統(tǒng)的自動標(biāo)定。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

采用比較法進(jìn)行鉑電阻溫度計的標(biāo)定是工業(yè)生產(chǎn)和實驗室常用的方法。其原理是將標(biāo)準(zhǔn)溫度計和待標(biāo)定的鉑電阻溫度計置于同一熱源中，分別測得溫度值和電阻值。再以標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計采集的溫度值為標(biāo)準(zhǔn)溫度，繪制出鉑電阻溫度計的電阻-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的MCU中，即完成標(biāo)定。本文設(shè)計的標(biāo)定系統(tǒng)采用比較法對鉑電阻溫度計進(jìn)行自動標(biāo)定，標(biāo)定對象是鎧裝的Pt100鉑電阻和自制信號調(diào)理電路組成的鉑電阻溫度計，而選用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計作為對比原件。

1.1待標(biāo)定鉑電阻溫度計

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

圖1　鉑電阻測溫電路圖

電路采用阻值比較法的測溫原理，可有效消除恒流源波動對A/D采樣值的影響[3]。為了消除鉑電阻引線電阻引入的測量誤差，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)動電流，使用其內(nèi)部集成的儀表放大器對傳感器微弱信號進(jìn)行放大，并最終通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。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完成電壓信號到阻值信號的轉(zhuǎn)換，再將阻值轉(zhuǎn)換為溫度值。然后通過RS-232串口通信技術(shù)，將溫度值發(fā)送至計算機(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 ℃時的電阻值；t為被測溫度。

對于溫度系數(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/℃

以測量溫度大于0 ℃時的Pt100為例，鉑電阻阻值隨溫度變化的斜率為：

(2)

由式(2)可見，被測量的溫度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式擬合法、查表法、插值計算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]和牛頓迭代逼近法[6]等。查表法和插值計算法求取溫度值較簡單，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算量大、運算時間長，不適用于快速高精度溫度測量應(yīng)用；多項式擬合法既不占用大量內(nèi)存，又具有合適的計算復(fù)雜度，且可以通過提高多項式次數(shù)減小曲線的擬合誤差，提高鉑電阻測溫的精度。因此，在本文設(shè)計的自動標(biāo)定系統(tǒng)中，采用了多項式擬合法進(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)溫度計自動標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計方案和實際應(yīng)用，需搭建一個自動化的標(biāo)定平臺。通過此平臺，由計算機(jī)對標(biāo)定過程進(jìn)行控制，以及數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集和儲存；熱源通過RS-232向計算機(jī)VB程序中傳送數(shù)據(jù)，計算機(jī)通過對數(shù)據(jù)的處理來對熱源內(nèi)的溫度進(jìn)行跟蹤測量和控制，并及時、準(zhǔn)確地對其穩(wěn)定程度進(jìn)行判斷；標(biāo)準(zhǔn)計量儀表和待標(biāo)定鉑電阻溫度計同時通過RS-232向計算機(jī)傳送數(shù)據(jù)，并以.xlsx文件保存在計算機(jī)硬盤中；計算機(jī)對同步采集到的數(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)計中，使用由美國福祿克公司出品的Fluke7341恒溫槽來提供熱源；高精度測溫儀Fluke1529和二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Fluke5626組成的二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計作為計量儀表，并以測溫儀Fluke1529輸出的溫度值作為標(biāo)準(zhǔn)溫度；由鎧裝的Pt100鉑電阻和自制的測試板組成的鉑電阻溫度計作為待標(biāo)定的溫度計。

1.4系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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)計風(fēng)格具有高效、簡單、易學(xué)的特點，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，實現(xiàn)了計算機(jī)同時與恒溫槽、測溫儀、測試板的串口通信。VB使用ActiveX自動化技術(shù)調(diào)用Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能[8]，實現(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語言編寫的，實現(xiàn)了對應(yīng)儀器的端口設(shè)置、數(shù)據(jù)的實時采集、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)實時采集部分，通過VB內(nèi)部調(diào)用Excel軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在Excel中實時顯示，并保存。另外，在數(shù)據(jù)擬合部分，通過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自動完成數(shù)據(jù)的多項式擬合，并調(diào)出Excel自動生成的擬合公式及擬合誤差，使其顯示在VB的界面中，實現(xiàn)鉑電阻溫度計的自動標(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設(shè)置部分主要用來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；Fluke1529端口設(shè)置和信號調(diào)理電路端口設(shè)置部分，分別用來顯示和配置測溫儀和信號調(diào)理電路的通信端口；數(shù)據(jù)保存地址部分主要用來設(shè)置數(shù)據(jù)在計算機(jī)中的保存位置；標(biāo)定數(shù)據(jù)部分采用外部控件MSFlexGrid來顯示標(biāo)定使用的數(shù)據(jù)，包括信號調(diào)理電路輸出的電阻值和測溫儀Fluke1529輸出的溫度值；設(shè)置殘差值部分用來設(shè)置多項式擬合時預(yù)期的最大擬合誤差值，在數(shù)據(jù)自動擬合時，程序會根據(jù)設(shè)置的殘差值，不斷改變擬合公式的階數(shù)來滿足擬合公式誤差值小于所設(shè)定殘差值的要求；實際殘差值部分用來顯示擬合公式的實際擬合誤差值；擬合函數(shù)部分用來顯示數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果，即擬合得到的鉑電阻溫度計電阻值-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的MCU中。至此，就完成了鉑電阻溫度計的全部標(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)對系統(tǒng)中測量儀器的技術(shù)資料及其特性的了解，對本系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定[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，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實驗測試

基于上述標(biāo)定系統(tǒng)，對1.1節(jié)中描述的待標(biāo)定鉑電阻溫度計進(jìn)行了自動標(biāo)定實驗。在-40～150 ℃之間均勻抽取39個溫度點，F(xiàn)luke1529測溫儀每秒采樣1次,對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行4 min數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而對所得的240個測量結(jié)果求取平均，并通過測溫儀對所測標(biāo)準(zhǔn)溫度和待標(biāo)定鉑電阻溫度計輸出結(jié)果組成的39組數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合。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)自動利用Excel中多項式擬合的功能，以鉑電阻溫度計輸出的電阻值為自變量，以Fluke1529測溫儀輸出的標(biāo)準(zhǔn)溫度值為因變量，經(jīng)過多次的數(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式，并計算出公式的擬合誤差小于0.013 ℃。最后，單擊“發(fā)送公式”按鍵，將擬合的四次多項式固化到鉑電阻溫度計的MCU中，即可完成鉑電阻溫度計的標(biāo)定工作。

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

表2　對比結(jié)果

由表2可知，鉑電阻溫度計經(jīng)過標(biāo)定后，溫度計的測量誤差小于±0.03 ℃，達(dá)到了很高的測量準(zhǔn)確度。

4結(jié)束語

本文所介紹的自動標(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，實現(xiàn)了鉑電阻溫度計[11-12]標(biāo)定的自動化和可視化，減少了人為誤差，縮短了標(biāo)定所使用的時間，同時提高了設(shè)備的使用率，在實際應(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)計量儀，即可標(biāo)定不同溫度范圍內(nèi)不同精度等級的多類溫度計。

參考文獻(xiàn)

[1] 薛清華.高精度多通道溫度測量技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[2] 何道清.傳感器與傳感器技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2004.

[3] 楊娜,楊遂軍,葉樹亮.比率法測溫系統(tǒng)的優(yōu)化與不確定度分析[J].自動化儀表,2013,34(8)：64-66.

[4] 石明江,張禾,河道清.基于LabVIEW的高精度鉑電阻測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制,2012,20(4)：924-925,938.

[5] 董玲嬌.基于遺傳算法的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在鉑電阻溫度傳感器非線性補(bǔ)償中的應(yīng)用[J].輕工機(jī)械,2010,28(1)：60-63.

[6] 李加超,孟令軍,張曉春,等.基于ARM的高精度測溫系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表,2014,29(10)：16-19.

[7] 蔣學(xué)潤,李中華,毛宗源，等.基于VB的數(shù)據(jù)采集智能模塊與上位機(jī)串行通信的實現(xiàn)[J].自動化與儀表,2003,18(6)：61-63.

[8] 周蕓,林中偉,周國防，等.VB中ActiveX在Excel中的運用[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2000,20(4)：273-276.

[9] 趙春生，測量不確定度的理論與實踐研究[D].吉林：長春理工大學(xué)，2007.

[10]曾慧琴.智能溫度測量系統(tǒng)[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[11]王海青,姬長英,劉同召，等.模糊自整定PID 溫度控制系統(tǒng)的建模與仿真.計算機(jī)工程，2012，38(7)：233-235.

[12]孫艷梅.基于PSO的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在壓力傳感器溫度補(bǔ)償中的應(yīng)用.傳感器技術(shù)學(xué)報，2014，27(3)：342-346.

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：TH811;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605018

浙江省科技計劃基金資助項目(編號：2014C33114);

國家質(zhì)檢總局科技計劃基金資助項目(編號：2014IK075) 。

修改稿收到日期：2015-09-09。

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