铂电阻温度计自动标定系统设计

蒋　博　丁　炯　李锦花　陈丹超　叶树亮

(中国计量学院工业与商贸计量技术研究所1，浙江 杭州　310018；宁波出入境检验检疫局技术中心2，浙江 宁波　315012)

铂电阻温度计自动标定系统设计

蒋博1丁炯1李锦花2陈丹超2叶树亮1

(中国计量学院工业与商贸计量技术研究所1，浙江 杭州310018；宁波出入境检验检疫局技术中心2，浙江 宁波315012)

摘要：针对传统铂电阻温度计标定方法工作量大、效率低的问题，设计了一套基于计算机的自动标定系统。系统采用VB6.0作为软件开发平台，编程实现计算机对温度源、标准温度计的自动控制、数据采集及存储，同时调用Excel进行温度计标定数据的自动拟合。根据标定设备的硬件配置，计算得到系统的不确定度小于0.02 ℃。实验结果表明，在-40～150 ℃的标定温度范围内，标定后的温度计测量误差小于±0.03 ℃。

关键词：铂电阻温度计色谱仪传感器信号调理电路A/D转换器自动标定VB6.0不确定度

0引言

近年来，随着工业测量技术的发展，对温度测量的精度要求也越来越高。例如，色谱仪在其工作温度范围内温度要求优于0.1 ℃，步进扫描投影光刻机在其工作温度范围内温度要求优于0.01 ℃等[1]。铂电阻温度传感器具有响应快、稳定性好、精度高等诸多优点，在高精密温度测量系统中有着广泛的应用。但由于铂电阻个体差异较大，存在一定的时间漂移及测温电路老化等因素，在使用之前，必须对铂电阻温度计进行标定，才可确保在使用过程中得到的温度数据真实可靠。然而传统的铂电阻温度计标定是由手工完成的，标定过程中热源升温及恒温时间的控制，铂电阻传感器采集数据的记录，以及后续数据的处理均由人为控制和计算。这种方法工作量大、耗时较长、容易出错，并且实验设备不能充分利用，效率低下。

针对传统标定系统劳动强度大、工作效率低等缺点，本文以计算机作为主体，利用VB6.0和Excel软件作为开发平台，设计了铂电阻温度计的自动标定系统。通过对热源升温、降温、恒温保持时间的自动控制，数据的自动采集保存，以及后续数据的自动拟合，完成信号调理电路和铂电阻传感器组成的测温系统的自动标定。

1系统总体方案设计

采用比较法进行铂电阻温度计的标定是工业生产和实验室常用的方法。其原理是将标准温度计和待标定的铂电阻温度计置于同一热源中，分别测得温度值和电阻值。再以标准铂电阻温度计采集的温度值为标准温度，绘制出铂电阻温度计的电阻-温度特性曲线，并拟合出曲线函数[2]。最后将函数固化到铂电阻温度计的MCU中，即完成标定。本文设计的标定系统采用比较法对铂电阻温度计进行自动标定，标定对象是铠装的Pt100铂电阻和自制信号调理电路组成的铂电阻温度计，而选用二等标准铂电阻温度计作为对比原件。

1.1待标定铂电阻温度计

待标定的铂电阻温度计由工业铂电阻Pt100和自制的信号调理电路组成。信号调理电路由精密电阻REF、AD7793及STM32F103组成。铂电阻测温电路图如图1所示。

图1　铂电阻测温电路图

电路采用阻值比较法的测温原理，可有效消除恒流源波动对A/D采样值的影响[3]。为了消除铂电阻引线电阻引入的测量误差，Pt100选用三线制接线方法。电路核心部件AD7793是Analog Device公司生产的适用于高精度测量应用的低功耗A/D转换器。使用其内部集成的恒流源作为铂电阻的驱动电流，使用其内部集成的仪表放大器对传感器微弱信号进行放大，并最终通过模数转换器转换成数字信号输出。采用AD7793 A/D转换器，有效地减小了系统的体积，并降低了系统的复杂度和成本。AD7793将转换后的电压输入到MCU中，由MCU完成电压信号到阻值信号的转换，再将阻值转换为温度值。然后通过RS-232串口通信技术，将温度值发送至计算机中显示。

1.2铂电阻的非线性特性

在高精度的温度测量中，需考虑铂电阻的电阻值与温度之间存在的非线性关系。根据铂电阻的温度特性，铂电阻阻值与温度的函数关系为：

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

(1)

式中:Rt和R0分别为铂电阻在t ℃和0 ℃时的电阻值；t为被测温度。

对于温度系数是0.003 851的铂电阻，A、B、C的取值为：

A=3.908 3×10-3/℃

B=-5.775×10-7/℃

以测量温度大于0 ℃时的Pt100为例，铂电阻阻值随温度变化的斜率为：

(2)

由式(2)可见，被测量的温度t越高，铂电阻的非线性越严重。由于式中B为负值，随着温度的升高，铂电阻阻值随温度变化的斜率下降，因此将铂电阻电阻值-温度值特性曲线拟合为指数或线性方式的误差都比较大，无法达到高精度的要求[4]。常用的减小铂电阻非线性误差的方法有多项式拟合法、查表法、插值计算法、神经网络法[5]和牛顿迭代逼近法[6]等。查表法和插值计算法求取温度值较简单，但需要存放大量的铂电阻分度表数据，并且由于不同铂电阻传感器之间的个体性差异，导致两种方法的精度不高；神经网络法和牛顿迭代逼近法计算量大、运算时间长，不适用于快速高精度温度测量应用；多项式拟合法既不占用大量内存，又具有合适的计算复杂度，且可以通过提高多项式次数减小曲线的拟合误差，提高铂电阻测温的精度。因此，在本文设计的自动标定系统中，采用了多项式拟合法进行铂电阻阻值与温度之间的拟合。

1.3系统的硬件配置

根据温度计自动标定系统的设计方案和实际应用，需搭建一个自动化的标定平台。通过此平台，由计算机对标定过程进行控制，以及数据的现场采集和储存；热源通过RS-232向计算机VB程序中传送数据，计算机通过对数据的处理来对热源内的温度进行跟踪测量和控制，并及时、准确地对其稳定程度进行判断；标准计量仪表和待标定铂电阻温度计同时通过RS-232向计算机传送数据，并以.xlsx文件保存在计算机硬盘中；计算机对同步采集到的数据在Excel环境下进行拟合处理，所得到的拟合曲线即为待标定铂电阻温度计电阻值-温度值特性曲线。

标定系统的硬件配备及数据流程如图2所示。

图2　标定系统的硬件配备及数据流程图

在本文设计中，使用由美国福禄克公司出品的Fluke7341恒温槽来提供热源；高精度测温仪Fluke1529和二等标准铂电阻Fluke5626组成的二等标准铂电阻温度计作为计量仪表，并以测温仪Fluke1529输出的温度值作为标准温度；由铠装的Pt100铂电阻和自制的测试板组成的铂电阻温度计作为待标定的温度计。

1.4系统的软件设计

软件使用的主要开发环境为VB 6.0和Excel，其中VB可视化界面的设计风格具有高效、简单、易学的特点，已经成为众多开发人员常用的工具，并且被广泛应用于各个领域。VB的MSComm控件[7]，只需要编写少量的程序代码即可完成多串口通信的功能，实现了计算机同时与恒温槽、测温仪、测试板的串口通信。VB使用ActiveX自动化技术调用Excel强大的数据处理功能[8]，实现采集数据的拟合和拟合误差的求解及误差分析，可以弥补VB在数据处理方面编程难度大、开发效率低的难题。其中软件的主界面部分是由VB6.0语言编写的，实现了对应仪器的端口设置、数据的实时采集、恒温槽温度值的设置、标定数据的显示、拟合函数的显示、拟合误差的显示、数据保存等主要功能。在数据实时采集部分，通过VB内部调用Excel软件，实现了数据在Excel中实时显示，并保存。另外，在数据拟合部分，通过VB将控件MSFlexGrid中显示的标定数据导入Excel中，由VB控制Excel自动完成数据的多项式拟合，并调出Excel自动生成的拟合公式及拟合误差，使其显示在VB的界面中，实现铂电阻温度计的自动标定。

软件主操作流程如图3所示。在操作界面中，使用frame控件将每部分隔开，使得界面更清晰明了。

恒温槽端口及温度点设置部分主要用来显示和配置恒温槽的通信端口，以及标定使用的理论温度点；Fluke1529端口设置和信号调理电路端口设置部分，分别用来显示和配置测温仪和信号调理电路的通信端口；数据保存地址部分主要用来设置数据在计算机中的保存位置；标定数据部分采用外部控件MSFlexGrid来显示标定使用的数据，包括信号调理电路输出的电阻值和测温仪Fluke1529输出的温度值；设置残差值部分用来设置多项式拟合时预期的最大拟合误差值，在数据自动拟合时，程序会根据设置的残差值，不断改变拟合公式的阶数来满足拟合公式误差值小于所设定残差值的要求；实际残差值部分用来显示拟合公式的实际拟合误差值；拟合函数部分用来显示数据拟合的结果，即拟合得到的铂电阻温度计电阻值-温度值特性曲线的方程式；单击“发送公式”按键，可将系统拟合好的方程式固化到铂电阻温度计的MCU中。至此，就完成了铂电阻温度计的全部标定工作。

图3　主程序流程图

2系统的不确定度分析

根据对系统中测量仪器的技术资料及其特性的了解，对本系统进行了标准不确定度的B类评定[9]。系统中不确定度的影响因素有：二等标准铂电阻Fluke5626的不确定度B1和漂移量B2，恒温槽Fluke7341的均匀性B3和稳定性B4，高精度测温仪Fluke1529的读数精度B5。以上各标准不确定的分量互不相关，并且灵敏系数为1，故合成不确定度U为[10]：

(3)

在不同的温度下，系统的不确定度分量和合成不确定度如表1所示。

由表1可知，标定系统的不确定度最大值是在150 ℃时，即在-40～150 ℃温度范围内，标定系统的不确定度小于0.02 ℃。取k=2，得扩展不确定度小于0.04 ℃。

表1　标定系统的不确定度

3实验测试

基于上述标定系统，对1.1节中描述的待标定铂电阻温度计进行了自动标定实验。在-40～150 ℃之间均匀抽取39个温度点，Fluke1529测温仪每秒采样1次,对每组数据进行4 min数据采集，进而对所得的240个测量结果求取平均，并通过测温仪对所测标准温度和待标定铂电阻温度计输出结果组成的39组数据进行多项式拟合。在标定系统界面中输入拟合误差，预期小于0.015 ℃，系统自动利用Excel中多项式拟合的功能，以铂电阻温度计输出的电阻值为自变量，以Fluke1529测温仪输出的标准温度值为因变量，经过多次的数据拟合和拟合误差值与设定值的比较分析，拟合出关于温度值与电阻值的四次多项式，并计算出公式的拟合误差小于0.013 ℃。最后，单击“发送公式”按键，将拟合的四次多项式固化到铂电阻温度计的MCU中，即可完成铂电阻温度计的标定工作。

用标定好的铂电阻温度计在恒温槽中进行测试，与高精度测温仪Fluke1529(外接二等标准铂电阻温度计)进行比对，比对结果如表2所示。

表2　对比结果

由表2可知，铂电阻温度计经过标定后，温度计的测量误差小于±0.03 ℃，达到了很高的测量准确度。

4结束语

本文所介绍的自动标定系统，充分利用了VB友好的可视界面与Excel数据处理功能，进行两者的混合编程，实现了铂电阻温度计[11-12]标定的自动化和可视化，减少了人为误差，缩短了标定所使用的时间，同时提高了设备的使用率，在实际应用中取得了良好的标定效果。另外，该标定系统还具有很好的开放性，只需更换配有RS-232接口的恒温槽和标准计量仪，即可标定不同温度范围内不同精度等级的多类温度计。

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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

中图分类号：TH811;TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605018

浙江省科技计划基金资助项目(编号：2014C33114);

国家质检总局科技计划基金资助项目(编号：2014IK075) 。

修改稿收到日期：2015-09-09。

第一作者蒋博(1990-)，男，现为中国计量学院仪器仪表工程专业在读硕士研究生；主要从事测试计量技术及仪器等方向的研究工作。