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某锈云
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1 Transactions on Computer Science and Technology December 2012, Volume 1, Issue 1, PP System Based on the platinum resistance sensor metrological verification Yu Liu #, Jiajia Zhang, Chun-ai Wu, Tao Jiang, Shixi Liu Meteorological metering station, HeBei Province Meteorological Bureau, Shijiazhuang, , China Abstract The national weather metering station temperature laboratory to maintain the air temperature professional standards of measurement is the highest standard of Meteorological Department in China, And transferring to the provincial meteorological station. The temperature measurement standard in the Provincial Meteorological Station contains the second standard mercury thermometer, Temperature test tank and Freezing point tank. Carry out the work on Verification and calibration which are on the thermometer and Platinum resistance thermometer in the meteorological field. Introduce the principle of the PT100 platinum thermal resistance. Based on the temperature metrological verification code requirements, tests on 80 platinum resistances, Judge platinum resistance sensor qualified or not. Keywords: Temperature; Platinum resistor; Error 基于铂电阻传感器的温度计量检定系统刘宇, 张佳佳, 武春爱, 蒋涛, 刘世玺河北省气象局气象计量站, 河北省石家庄摘要 : 国家气象计量站温度实验室保持的空气温度专业计量标准, 是我国气象部门的最高标准, 并传递至省级气象计量站省级气象计量站的温度计量标准主要由二等标准水银温度计温度检定槽冰点槽或水三相点瓶组成, 开展工作级气象用温度表 ( 计 ) 铂电阻温度计等的检定和校准介绍 PT100 型铂热电阻的工作原理, 基于温度计量检定规程要求, 对 80 支铂电阻传感器进行温度检定, 判断铂电阻传感器的合格与否关键词 : 温度 ; 铂电阻 ; 误差引言温度计量标准的工作原理是由温度检定槽产生一个稳定均匀的温度场, 将标准器和被检计量器具置于同一温度场中, 通过比较标准器和被检仪器的示值, 确定被检仪器是否符合规定要求 [1] 依据我国现行的气象仪器国家计量检定规程 JJG 气象用双金属温度计 [2] JJG 气 [3] [4] 象局玻璃液体温度表和 JJG( 气象 ) 自动气象站温度传感器检定规程中对气象温度检定要求, 检定气象自动站铂电阻传感器参数指标及性能 1 检定原理电阻温度表是利用金属电阻值随温度变化的原理制成的测温传感器, 最常用的金属感温材料是铂金丝或是铜丝镍丝电阻与温度的关系如式 : R t 2 R (1 At ) 0 t (1) 式中 A β 为系数, 其中 A ( 1 /100) 10 4,R t R 0 是温度为 t 和 0 时的电阻值,R 0 =100Ω, 表 1 是 P t 100 铂电阻的默认因数

2 表 1 Pt100 的默认因数 Type α β δ R 0 P t Ω 由于铂金属的物理化学性能稳定, 材料易于提纯, 测温准确度高, 复现性好, 因此, 自动气象站主要采用铂 [5] 电阻传感器来进行温度和地温的测量与半导体电阻温度表相比, 铂电阻阻值很小, 测温灵敏度较小, 如果直接用欧姆表测量电阻仪换算为相应的温度值, 其测量温度的分辨力很低因此通常采用平衡电桥法测量 [6] 平衡电桥法一般用于高精度测量, 有专门的测温电桥, 用光电检流计指示电桥的平衡情况转换电路的作用是将随温度变化的电阻值转换为电压信号输出, 测量原理如图 1 所示图 1 温度传感器测量原理图进行温度测量时, 恒流源 I 0 和运放电路始终处于稳定状态, 通过切换测出铂电阻 R t 和 R 0 ( 标准电阻 ) 输出的电压值分别为 V t 和 V 0 因为,V 1 =I 0 R t ;V 0 =I 0 R 0 因此,R t 与 V 1 和 V 0 之间的函数关系用式 (2) 表示 : V1 R t R (2) 0 V0 将式 (2) 代入式 (1) 中, 计算出空气温度 t 的值此方法属于四线制测量, 可消除引线电阻影响, 提高了温度测量准确度 2 温度计量检定系统 2.1 环境要求目前使用的温度恒温设备, 在温度稳定时, 其恒温槽中的温度场应符合以下要求 : 温场稳定性 : 用 15min 内的温度波动表示,0 以上不大于 0.01 ;(0~-70) 不大于 ;-70 以下不大于 0.02 温场均匀性 : 用最大温差表示 0 以上不大于 0.02 ;(0~-70) 不大于 0.03 ;-70 以下不大于 0.05 检定时, 应用经过检定的温度测量仪器监视温场变化值, 温度不符合要求时不应录取数据本次实验测试环境 : 温度 : 在 18~25 之间 ; 相对湿度 : 在 10%~50% RH 之间 ; 大气压力 : 在 990.0hpa~ hpa 之间 2.2 测试设备 1 本次实验检定设备 :

3 制冷恒温槽 :WLR-60D( 湖州唯立仪表厂 ) 出厂编号 :1409 证书编号 :BH11-JZ 检定标准器 : 标准器 : 自校式铂电阻数字测温仪 (09050) 证书编号 :GQJ(B) W C 2.3 标准组一般由三支水银温度表和一支汞基温度表组成, 形成一标准组 ( 如表 2 所示 ) 二等标准水银计表 2 二等标准水银温度计标准组感温液体测量范围分辨力不确定度水银 ( 三支 ) (50~100) (-2~52) (-32~22) 0.1 (0.03~0.06) 汞基 ( 一支 ) (0~-62) 标准器应经过计量检定并合格, 其检定周期为一年检定设备每两年或经过影响性能的检修后应进行温场稳 [7] 定性和均匀性检查并合格 2.4 检定方法检定前根据所检温度点将槽内灌入相关恒温液体 ( 水或无水乙醇 ), 将标准数字式铂电阻温度计的传感器被检温度传感器 ( 多支 ) 头部对齐捆扎在一起放入恒温槽工作区域内 ( 注意各传感器间不要碰触, 也不要与测试室壁相碰对于温湿一体的气温传感器 ( 如 HMP45D 型 ) 不能直接接触液体, 应放入专用套管中如图 2 所示 ; 也可以用专配的插表盘, 将所有被检温度传感器插入插孔中, 标准数字式铂电阻温度计的传感器插入中间插孔被检温度传感器通过扫描开关与多路数据采集器连接, 标准数字铂电阻温度计输出通过 RS-232 接口与计算机相连, 分别打开标准数字温度计多路数据采集器电源开关, 上电预热 15 分钟后, 才能开始温度传感器示值误差检定图 2 专用套管 (8 个 ) 检定开始前和检定结束后, 分别读取 ( 采集 ) 环境温度湿度和大气压力值, 用两次读取 ( 采集 ) 的环境条件的平均值, 作为检定时的环境条件, 填写到检定记录表格中 [4] 外观和性能检查检定前要保证各传感器外形结构应完好, 表面不应有明显的凹迹外伤裂缝变形等现象, 尤其是传感器

4 头部 ( 敏感部位 ) 要认真检查仔细检查信号电缆与传感器连接处的密封程度, 被检铂电阻传感器与标准数据采集器连接后要进行上电检查, 在常温条件下与标准铂电阻温度计进行比较, 检查是否有电阻值输出, 对比两者读数是否接近, 若相差较大, 则应查明原因排除故障后再进行正式检定温度检定点的选择温度检定点为 : 检定点也可根据实际使用范围选择, 但 0 为必检点, 检定点不应少于 5 个, 间隔不大于 30 [4] 根据我省实际情况, 此次检定点选为 : 检定数据读取 ( 采集 ) 方法按照选择的温度点及顺序调节槽温, 当槽温达到设定温度并稳定后方可进行检定每隔 30 秒钟读取 ( 采集 ) 一次标准器示值和被测温度传感器的输出值, 连续读取 ( 采集 )4 次一个温度检定点检定完毕, 紧接着调整下一个温度点, 以下各温度检定点的示值读取 ( 采集 ) 次数读取 ( 采集 ) 数据间隔数据处理方法相同 3 数据处理 3.1 建立数学模型所谓建立数学模型就是根据被测量的定义和测量方案, 确立被测量与有关量之间的函数关系通常一个被测量取决于若干个有关量, 只有确定了所依赖的各有关量的值才能得出被测量的值, 通过评定了所依赖的各被测量的不确定度, 得出被测量值的不确定度数学模型可用如下公式表示 : (3) y f ( x, x,, x ) 1 2 n 式中 : y 输出量 ( 即测量结果 ); x i 各输入量 3.2 示值误差计算用标准器的 4 次示值平均值, 加上该温度点的修正值, 作为温度标准值被检温度传感器的 4 次读数值的平均值, 减去标准值得出该温度点上的示值误差 [8] 计算公式如式(4) 如果温度传感器的输出值是电阻值, 应换算成温度值 T (4) i T 4 T s4 t 式中 : T i 温度传感器在各温度点的示值误差, ; T 4 温度传感器各温度点上 4 次测量值平均值, ; T s4 标准器在各温度点上 4 次示值平均值, ; t 标准器在该温度点上修正值, 被检温度传感器在所选温度检定点上的示值误差均满足技术要求时为合格当某一个温度点或多个温度点的示值误差超出技术要求时, 应将该温度传感器作不合格处理 4 实验分析 4.1 检定结果处理以下情况做不合格处理, 否则视为合格 : (1) 有一点或一点以上的修正值超过

5 (2) 间隔 10 的修正值变量有一个或一个以上区间超过 0.3 (3) 由于某一个或一个以上检定点的偏差不符合要求, 补测两次仍不合格 4.2 实验分析综合实验结果, 可以得出如下结论 : 根据实验数据表明,80 支 PT100 铂电阻传感器中仅有 14 支传感器测试点的误差绝对值 :0.1 误差绝对值 0.2 其检测点分别为 : T120002: T120026: PT12026: PT12046: PT12065: PT12057: PT12048: PT12062: PT12052: PT12049: PT12039: PT12054:+30 PT12035: PT12064: 其他传感器误差绝对值均 <0.1, 满足 JJG( 气象 ) 自动气象站温度传感器检定规程中对地温最大允许误差的指标要求, 其中 JJG( 气象 ) 自动气象站温度传感器检定规程 [4] 中对地温最大允许误差要求为 : 1) 地表温最大允许误差 : ±0.4 2) 浅层地温 (5~20cm) 最大允许误差 : ±0.3 3) 深层地温 (40~ 320cm) 最大允许误差 : ±0.2 5 实验结论经过实验分析得出结论,80 支铂电阻传感器均满足 JJG( 气象 ) 自动气象站温度传感器检定规程中规定的对地温测试的要求, 最大允许误差均小于 ±0.2 可用于测量地表温, 浅层地温或深层地温但这 14 支传感器测试点的误差绝对值在大于或等于 0.1, 小于或等于 0.2, 因此在测量最大允许误差要求相对较高的深层地温时, 应优先选择除这 14 支以外的其余传感器在自动气象站的使用过程中, 除了应严格执行周期检定程序外, 还应随时关注传感器的测量结果是否正常, 测量特性是否稳定等方面, 在使用一段时间后, 台站工作人员可按照自动气象站气压传感器校准方法进行校准, 以保证测量数据的高质量和高稳定性 REFERENCES [1] Zhang Jianmin, Luo Xu, Lv Wenhua. Meteorological measurement guide [M]. Beijng: China Zhijian Publishing House,

6 [2] JJG Verification Regulation of the Meteorological Bimetallic.[S] [3] JJG Verification Regulation of the Meteorological Liquid-in-glass Thermometers.[S] [4] JJG Temperature Sensor of Automatic Meteorological Station.[S] [5] Nan Yingshu. Introduction of Maintenance and Use of SPRT [J]. Metrology and Measurement Technique :37-39 [6] Liu Tianjian, Wang Shaobo, Zhu Shanan. Approaches to Non-linearity Compensation of Platinum Resistor Based on Neural Network in Temperature Measurement [J]. Chinese Journal of scientific instrument : [7] Wang Zai-qi. A high performance temperature equalizer used as thermocouple reference compensator and its test [J]. Electronic Instrumentation Customer (2):77-79 [8] Evaluation of Measurement Uncertain for Indication Error of Working Copper/Copper-Nickel Thermocouple [J]. Metrology and Measurement Technique (8):83-85 作者简介刘宇 (1985-), 女, 汉, 硕士, 助理工程师, 计量检定, 年就读于中国计量学院 liuyubaodingshi@163.com

,,,,,,,,,,,,,,, ; 1854,, 19,,,,,, , 100,, ( ), :, 1992, 91 :, 1994, , 373 :, 1940, :, 1988, 52 82

(1840 1949),,,,, ( ) 100,,,,,,,, :, 1994, 254, 387 81 ,,,,,,,,,,,,,,, ; 1854,, 19,,,,,, 1883 1898, 100,, ( ), :, 1992, 91 :, 1994, 219 283, 373 :, 1940, 37 42 :, 1988, 52 82 ,, :, ;,,,,,,,,, 40,,, 1901