基于热敏材料的温场验证仪研制及应用

李海兵,李 峰,薛文艳,刘志强,卓 华

(1.新疆维吾尔自治区计量测试研究院, 新疆 乌鲁木齐 830011;2.国家市场监管技术创新中心(中亚能源计量),新疆 乌鲁木齐 830011;3.新疆维吾尔自治区计量测试研究院博士后工作站, 新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引言

温湿试验箱能模拟各种温湿度环境,适用于检测电器、食品、汽车配件、电子、橡胶、塑料胶、金属等产品。相较于普通的环境温湿度设备,真空干燥箱配备专业的真空泵,极限真空度可达0.3 kPa。在真空环境下,密封环境无法强制空气循环,使得箱内的温场波动度、均匀度、温度偏差较普通的鼓风干燥箱有较大差别。真空干燥箱的校准以国家标准《真空干燥箱》(GB/T 29251—2012)和《环境试验设备温度、湿度校准规范》(JJF 1101—2019)为参考依据。研究人员测量了真空干燥箱在常压和真空下的温场分布。测量结果表明,温场分布在两种条件下的均匀性差别较大[1]。真空干燥箱密封性的特殊结构,使得传统温湿度巡检仪外置的传感器很难满足校准要求。这给温场校准装置和校准方法提出挑战。

与金属热电阻传感器相比,热敏陶瓷材料是电阻值随着温度变化而显著变化的一类材料,在一定温度测量范围内具有较大电阻温度系数[2- 3],且具有价格低廉、性能稳定及响应快的优点。热敏电阻具有较好的稳定性、较快的热反应时间,可作为温度计量标准器应用于特殊场景。

近年来,研究人员提出了微控制器结合热敏电阻的方案,以设计多路温度采集系统。研究人员在线性化方面采取线性插值方法和二分查找法计算温度值[4]。研究人员提出高精密测温的需求,分析了3种基于负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻的高精密测温系统(即双积分式、恒压式和恒流式),且从测温原理、系统构成方面分析了系统的优劣[5]。

本文创新性地采用热敏电阻材料,结合精密测温系统设计,研制了高精密存储式温场验证仪。该验证仪在0～150 ℃的温度范围内满足±0.15 ℃的误差要求。该验证仪可代替传统的布线式铂电阻温度测量仪,实现真空干燥箱温场的校准。

1 存储式温场验证仪的研制

存储式温场验证仪由NTC热敏温度传感器及信号激励单元、精密采集单元、控制处理及存储单元、系统供电单元组成,由上位机读取数据。

系统原理如图1所示。

图1 系统原理图

1.1 热敏陶瓷材料简介

NTC热敏电阻相对于热电偶、热电阻、量子点集成电路等其他类型传感器,具有尺寸较小、响应快速的特性。其电阻温度系数较大,应用于特殊环境的温度测量。

几种温度传感器的特性如表1所示。

表1 几种温度传感器的特性

热敏陶瓷材料的阻值温度曲线及稳定性结果如图2所示。

由图2(a)可知,在273～423 K范围内,热敏陶瓷材料的电阻显示出负温度系数效应。由图2(b)可知,在整个测试温度范围内,lnR与1 000/T的曲线呈线性特征,热敏材料的电导机制为小极化子跳跃电导模型。由图2(c)可知,在水三相点,9支热敏电阻元件的稳定性小于25 mK;在铟三相点,9支热敏电阻元件的稳定性小于30 mK。以上结果表明,热敏元件的稳定性满足设备的设计要求。

图2 热敏陶瓷材料的阻值温度曲线及稳定性结果

稳定性测试是利用水三相点装置(0.01 ℃)和铟三相点装置(156.598 5 ℃)进行热敏电阻稳定性测试。参考标准为一等铂电阻温度计。该温度计的测量范围为-189.344 2～+419.527 ℃。该温度计在125 ℃的高精密恒温箱内稳定1年的时间,测量得到热老化后温度的相对变化。本文根据ITS90将标准热电阻的电阻值换算为温度值,可得到各校准点热敏电阻值与温度值的对应曲线[7]。

同时,根据热敏电阻线性化的要求,可采用式(1)进行多项式拟合:

a3(lnRT)3a4(lnRT)4

(1)

式中:RT为温度为T时的热敏电阻值,Ω;a0、a1、a2、a3、a4为系数;T函数一般由电阻-温度测量值计算得到。

(2)

式中:a5、a6、a7、a8、a9为系数。

RT函数用于温度分度表查询。

1.2 双向恒流源激励单元设计

高精度温度测量的设计方案分为恒压法、欧姆计和电阻比[8]。恒压法的电桥结构复杂。欧姆计需高精度恒流源。电阻比测温原理是在电路中设计一个高精密参考电阻,将其与待测电阻串联,采用一般恒流源施加激励电流,通过测量两端的电压得到电压比值,进而计算出待测电阻。该原理采用选取标准级参考电阻、四线制连接的方式减小误差,从而实现高精度温度测量。恒流源反向法从原理上减小测量误差,使得系统测量精度进一步提高。

电阻比测量原理如图3所示。

图3 电阻比测量原理图

1.3 精密温度采集单元设计

精密温度采集单元主要包含温度信号调理和模数(analog-to-digital,A/D)转换电路。信号调理电路中,差分运算放大器OPA388的输入连接至参考电阻和热敏电阻两端,输出连接至滤波器。其将差分信号转换成单端信号,同时将较大阻抗变换成较小阻抗。其选取高精密32位转化电路ADS1263和凌力尔特公司LTC665参考电压芯片[9]。

1.4 控制、处理及存储单元设计

在系统功能满足的条件下,本文选择STM32L4系列单片机[10-11]作为处理器。单片机由电源电路、时钟源电路、复位电路及联合测试行动小组(joint test action group,JTAG)接口电路组成。本文以+3.3 V电源电压作为控制器供电、8 MHz晶振作为时钟源、串行Flash芯片作为数据存储单元。

1.5 数据采集及存储流程

存储式温场验证仪研制完成后,经过试验定型和热老化,确定的技术参数如下:测温范围为0～150 ℃;最大允许误差为±0.15 ℃。验证仪的型号为RG-WDYZ,编号分别为2021001、2021002。编号为20560的其他厂家的验证仪(铂热电阻为传感器)可作为比对样品。

数据采集及存储流程如图4所示[12]。

图4 数据采集及存储流程图

本文进行了验证仪的校准,经过中国计量科学研究院的校准,验证了设备的技术指标。

验证仪各测量点的示值误差如表2所示。

表2 验证仪各测量点的示值误差

由表2可知,以热敏传感器为元件的验证仪的最大误差为0.13 ℃,而铂电阻传感器验证仪的最大误差为0.22 ℃。研究结果表明,计量标准器的校准数据满足技术指标的要求。与铂电阻为传感器的测温仪相比,其技术指标优于国内的同类验证仪产品。

2 真空干燥箱温场测试

对于一般干燥箱,热交换包括热对流和热辐射,而真空干燥箱只有热辐射能量。验证仪的测试过程如下:配置温度记录器(点击菜单、记录器、配置键),设置60 s为记录间隔;无报警方式记录选择为立即开始记录。后续测试过程如下:将验证仪开启后放到干燥箱内开始记录温度,待试验完毕后将温度验证仪取出,在计算机上读出温度数据;同时,真空干燥箱连通数字绝压表进行真空度的记录和监测。本文测试了大气压下和真空下(15 kPa)的温度分布。在大气压下分别测量60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃下的温度值,并控制干燥箱内的真空度达到设定值,继续测量温度点80 ℃和60 ℃下的温度值,待稳定后读取验证仪数据。

真空干燥箱的温度随压力变化测试结果如图5所示。

图5 真空干燥箱的温度随压力变化测试结果

本文对干燥箱内的温度场进行分析。当温度稳定后,根据测温数据计算温度波动度和示值偏差。温度波动度的计算为:在真空干燥箱温度稳定后,各测量点在30 min内的实测最高温和最低温差值的一半,可加“±”表示。

(3)

式中:Δtf为温度波动度,℃;timax为测量点i在n次测量中的最高温度,℃;timin为测量点i在n次测量中的最低温度,℃。

温度偏差的计算过程如下:稳定后,取30 min内各测量点的温度值,选取n次测量中各测量点的最大值与设定点的差值为干燥箱的温度上偏差;选取n次测量中各测量点的最小值与设定点的差值,作为干燥箱的温度下偏差。

(4)

式中:Δtmax为温度上偏差,℃;Δtmin为温度下偏差,℃;tmax为各测量点规定时间内测量的最高温度,℃;tmin为各测量点规定时间内测量的最低温度,℃;tS为设备的设定温度,℃。

大气压和15 kPa下干燥箱温度参数如表3所示。

表3 大气压和15 kPa下干燥箱温度参数

在大气压和15 kPa这2种条件下,真空干燥箱的波动度均较小。大气压条件下,真空干燥箱的温度下偏差为-0.21 ℃,而15 kPa真空条件下温度下偏差为-5.12 ℃。结果表明,在真空条件下示值偏差变大。究其原因是真空条件下传热主要以热辐射为主,真空干燥箱在设定中须进行修正,才能满足所需的温度要求。

3 结论

本文基于高精密温度采集处理系统的设计,研制了热敏传感器的温度验证仪。该验证仪的技术指标优于国内同类产品。该验证仪对真空干燥箱大气压和真空这2种条件进行温场校准。测试结果表明,2种条件下,真空干燥箱内温度波动度均不大于0.1 ℃。然而,传热机理的变化导致真空干燥箱内真空下温度示值偏差(-5.12 ℃)较大气压下发生较大变化(-0.21 ℃)。本文研究结果为真空干燥箱等密封设备技术规范的制定提供数据支撑。