提高氫氧發動機試驗熱敏電阻測量精度方法

李薇 丁博深

（北京航天試驗技術研究所 北京市 100074）

1 引言

在氫氧發動機試驗中要求對一些液氫液氧溫區溫度參數進行測量，這些參數準確、全面的獲取對于研究氫氧發動機性能尤為重要。熱敏電阻因其靈敏度高、熱慣性小、體積小、結構簡單等優點被大量地應用于氫氧發動機試驗中低溫測量。

熱敏電阻按溫度系數可分為負溫度系數(NTC)和正溫度系數(PTC)兩大類[1-2]，其中NTC 型熱敏電阻用于溫度測量，它具有負的電阻溫度系數，即其電阻值隨著溫度的升高而減小。這是因為熱敏電阻的導電性能主要是由其內部的載流子(電子或空穴)的密度和遷移率決定的。當溫度升高時，載流子的密度大大增加， 從而導致NTC 型熱敏電阻的電阻值急劇下降。這種熱性能就是熱敏電阻能進行溫度測量的機理。在低溫條件下，熱敏電阻本身電阻值很大(幾十千歐)， 連接導線的電阻和接觸電阻的影響極小，可以忽略不計， 因而它適用于遠距離測量。但是熱敏電阻在應用于測溫系統時，其自熱效應會帶來測量誤差，尤其熱敏電阻為了適應大批量生產，采用片形封裝結構后，此問題更加突出。

2 熱敏電阻結構及影響

應用于氫氧發動機試驗的熱敏電阻傳感器，主要由熱敏電阻封裝后組成，如圖1 所示。熱敏電阻一般由熱敏感溫珠、保護玻璃珠、導線等部分構成，其結構如圖2 所示[3]。由于NTC 型熱敏電阻研制工藝成熟、穩定性好、實施工藝較為簡單，因此其可靠性較高。

熱敏傳感器的主要組成部件為熱敏元件，元件的技術參數、封裝工藝直接影響熱敏傳感器的工作性能。根據不同的使用要求，熱敏元件可制成不同結構形式。

2.1 珠形結構

在兩根鉑絲之間滴上糊狀熱敏材料的小珠后燒結而成，鉑絲作為引線一般采用玻璃殼密封。它的特定是熱惰性小，穩定性好，使用功率小但是制造工藝繁瑣，此類熱敏元件，由于使用功率小，在一定電流范圍小工作（小于10μA），自熱效應帶來的誤差很小，一般在±0.08K 以內。

2.2 片形結構

通過將熱敏材料粉末壓制、燒結成型，適用于大批量生產。由于熱敏元件壓制成型，體積較大，且熱敏材料與鉑絲引線接觸面積變大，所以功率較大，自熱效應引起的測量誤差也隨之變大，不適應在供電電流隨元件阻值變化的情況下使用。

2.3 封裝結構不同帶來的影響

對采用不同封裝工藝的熱敏電阻進行對比，珠形熱敏電阻采用的封裝工藝如圖3 左所示，片形熱敏電阻采用的封裝工藝如圖3 右所示。

圖1：熱敏電阻傳感器實物圖

圖2：熱敏電阻構成示意圖

圖3：珠形、片形熱敏元件封裝工藝示意圖

通過圖3 可以發現，熱敏元件封裝結構有明顯區別。對于熱敏電阻自熱效應引起的誤差△T，可用公式（1）表示，即同一個熱敏元件在使用環境相同（傳感器安裝方式、位置、流經傳感器電流相同）的前提下，△T 主要取決于散熱系數Km，而Km 的大小取決于熱敏電阻的結構、封裝工藝。

根據實驗室熱敏元件標定情況，珠形熱敏元件，在流經元件電流I ≤10μA 時，由于“自熱”而產生的誤差約為0.08K。而片形熱敏元件，在流經元件電流I ≤10μA 時，由 “自熱”而產生的誤差遠大于 0.08K。由此可知片形熱敏電阻（與珠形相比較）在測溫過程中，如果利用電阻電橋進行溫度—電壓變換就會帶來由于流經熱敏元件的電流可變，自熱誤差影響變大的問題。

3 熱敏元件供電方法及相應電路介紹

3.1 恒壓源供電的電阻電橋方法

表1：測量電流在0.9 ～1.1μA 范圍內、步長為0.01μA 的電阻值測試結果

用電阻電橋法測溫的基本原理是將熱敏電阻阻值變化量轉變為電量的變化[4]。熱電阻RT構成電橋的一臂，系統組成如圖4，當被測介質的溫度發生變化時，熱敏電阻RT的阻值隨之變化，使測量電橋失去平衡，電橋輸出端則有信號輸出，此信號變反應了溫度的變化。電橋的連接方法常用的有二線制和三線制，目前也采用四線制接法。但此供電模式的缺點為流經熱敏元件的電流隨元件阻值的變化而變化，因此有元件自熱效應帶來的測量偏差比較大，而且此偏差具有隨機性，很難進行后期修正。

3.2 恒流源供電法

在試驗臺熱敏溫度傳感器測量系統中應用恒流源供電模式，通過恒流源給熱敏溫度傳感器供電（恒定1μA），通過測量電纜將熱敏溫度傳感器兩端的電壓信號傳輸到后端采集系統，進行電壓信號采集。此供電方法可以從供電原理上解決流經熱敏元件的電流變化。

4 自熱誤差對熱敏電阻元件測量精度的影響

4.1 對比試驗

隨機抽取10 支新結構A3 型低溫熱敏電阻溫度元件置于液氫中，待穩定10min 后測量其電阻值。測量電流在0.9 ～1.1μA 范圍內進行電阻測量，步長為0.01μA，計算各測點阻值與1μA 電流時的電阻值之差△R，利用元件分度表中電阻靈敏度dR/dT 計算溫度偏差△T。

4.2 測試結果

測量電流在0.90 ～1.10μA 范圍內、測試點步長為0.01μA 電阻值測試結果如表1 所示。

根據以上測量結果計算各測點的電阻值與1μA 電流時的電阻值之差△R。用△R 除以各元件分度表中電阻靈敏度dR/dT 計算溫度偏差△T，即。繪制電流變化±10%范圍內各元件的測溫偏差△T 分布情況如圖5 所示。

4.3 供電電流變化對熱敏元件測溫精度影響分析

圖4：熱敏元件電阻電橋供電測溫的基本原理

圖5：電流變化±10%范圍內各元件的測溫偏差△T 分布情況

通過測試結果可以看出，輸出電流為1μA 時，恒流源電流輸出變化范圍對測量熱敏元件自熱引起的測量誤差有著很大的影響，電流輸出變化大，測溫的偏差就大，下面用不確定度的估算方法來定量分析。

5 恒流源供電熱敏電阻測溫系統不確定度評定

根據標準規定的不確定度估算方法[5-6]得到：

式中：

B-測量的總系統偏差；

S-測量的總標準偏差；

Φ=-根據自由度Φ 查非中心tˊ分布數據表求得。

當電流輸出變化范圍10%時，將已估計的誤差元素的系統偏差和標準偏差代入式（3）～（5），得出結果如下：

（4）對熱敏電阻溫度傳感器測量溫度參數

取Φ=51 查表得tˊ0.90（Φ，λ）=3.064 代入公式（2）

根據4.2 節測試結果和以上公式可知：

（1）輸出電流為1μA，電流輸出變化范圍10%的恒流源測量熱敏元件引起的測量誤差小于0.315K；

（2）輸出電流為1μA，電流輸出變化范圍為5%的恒流源測量熱敏元件引起的測量誤差小于0.1K；

（3）輸出電流為1μA，電流輸出變化范圍為1%的恒流源測量熱敏元件引起的測量誤差小于0.03K；

（4）輸出電流為1μA，電流輸出變化范圍為0.5%恒流源測量熱敏元件引起的測量誤差小于0.018K。

6 結論

通過試驗測量及數據分析，得出在熱敏溫度傳感器測量系統中，利用恒流源供電，可以有效地解決自熱效應在熱敏元件阻值隨溫度變化過程中帶來的測量偏差，并且根據測量精度要求，合理地選擇恒流源，可以達到理想的測量精度。