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温度传感器自动检定技术
【来源/作者】奥科官网 【更新日期】2016-01-23

引言

温度是用来表征物体冷热程度的一种状态参数。目前温度传感器在工农业生产、科学技术研究、国防科研任务以及人们日常生活中广泛应用,为确保工作中温度传感器测量数据的准确性和可靠性,就必须严格执行IPTS90国际温标的溯源性,即对温度传感器进行定时检定。由于传统的校准工作不仅需要较长的工作时间,而且与校准工作人员的经验有关,存在校准效率较低、检定结果不一致等问题,因此,本文介绍了一种温度传感器自动检定系统技术,该系统可以替代传统的手动检定,提高检定效率,减少人为误差。

1系统组成及原理

系统由计算机、恒温槽、温控器、通道转换控制器、标准温度传感器、被检温度传感器(铂电阻温度传感器)、低电势转换开关、数字多用表等组成,系统组成框图如图1所示。

系统工作过程为:恒温槽提供一个稳定均匀的温度场,通过数字多用表测得标准温度计的电阻,而多个被检温度传感器经过被控制的低电势转换开关通过数字多用表测得各被检温度传感器的电阻,再由计算机通过数据采集卡读取其数据,最后通过计算机利用温度计百分表插分公式得到温度值。将标准温度传感器和被测传感器的数值进行比较,从而判断传感器的性能。

从工作过程可知,控制计算机是系统的核心,通过GPIB接口卡和通讯接口完成对被检温度传感器、温度控制器、低电势转换开关通道转换及校准流程的控制,以及对校准数据的分析和处理。为了保证温度场的均匀性,通过内部搅拌机对介质进行搅拌,从而使恒温槽内温度一致。为了保证温度的稳定性,通过温度控制器控制恒温槽内介质的温度,它在计算机的控制下结合自控温度计一起利用一个反馈电路来提供一个被校准的温度计与固定点或校准点所需的均匀稳定温度场。

2系统的误差分析和处理

2·1系统的误差分析

检定系统的不确定度主要与标准温度传感器、数字多用表、检定装置温度场不均匀性、温度场的稳定性、测量重复性等有关。

本系统采用直接比较法对温度传感器进行检定,其检定方法应用于一般计量实验室和工业实验室。温度传感器校准的基本条件是温度场稳定,其允许的温度范围从零点几个mK到几百个mK不等,并且使被检温度系统的温度与相应的固定点温度或校准点温度一致。根据热力学定律,若有两个热力学系统处在各自不同的状态,当这两个系统相互接触时会产生热交换,经过一段时间后,两个系统会达到稳态不再变化,即达到一共同的平衡态。由于这种热平衡是两个系统在热交换的条件下达到的,即达到了热平衡状态。在检定时必须确保标准温度传感器和被检传感器插入恒温箱的深度不小于300mm,实际温度偏离检定点不大于2℃,温度变化每10分钟小于0·04℃。为了保证测试数据的准确性,在同一校准点一般要按升温与降温过程各做一定数量的重复测试,以减小滞后和读数误差等系统误差。我们在每个校准点采取多个数值,以此减小由于温度场波动带来的影响。

2·2系统误差处理

(1)测量方法及被测系统的不确定度分析为了保证测试的准确性,在此系统中采用对某一点温度分别进行上升过程和下降过程各测取10组数据,分别求其平均值作为其测量值。

式中:T1—温度上升过程某点平均值;Ti—温度上升过程某点测量值;i—测量次数

式中:T2—温度下降过程某点平均值;Tj—温度下降过程某点测量值;j—测量次数

式中:δ1—温度上升过程某点不确定度;δ2—温度下降过程某点不确定度;δ0—温度在某点的不确定度。

(2)标准检定系统不确定度分析

A类不确定度

B类不确定度

(1)二等铂电阻温度计的传递误差μ(x1)0℃时,由检定规程,Rtpd的检定周期不稳定性为5mK,合电阻4·99×10-4Ω,属于正态分布:

同理,100℃时,由检定规程,Rtpd的检定周期不稳定性为12mk,合电阻1·16×10-4Ω,属于正态分布

(2)恒温槽不均匀性引入的误差μ(x2)

由恒温槽技术说明书可得,恒温槽各插孔之间的温差最大为0·01℃,不确定度区间的半宽度为a=0·01℃=3·79×10-3Ω,属于均匀分布,k=

0℃时,不确定度的区间的半宽度为100Ω×0·0015%0·0015Ω,属于均匀分布,k=

100℃时,不确定度的区间的半宽度为138·5Ω×0·0015%=0·002Ω,属于均匀分布,k=

(4)水三相点瓶0·01℃引入的误差μ(x4)水三相点瓶由中国计量科学研究院生产,其提供的不确定度为0·3mK=1·69×10-3,服从均匀分布,k=

(3)系统的不确定度

系统的不确定度由自身的不确定度及计量标准系统的不确定度构成,其不确定度为:

3软件设计

在软件设计中,系统采用的是以windows作为开发界面,使用Vc++作为开发平台进行数据采集及数据处理,综合了图形化开发平台和标准化平台的优点,开发程序效率较高、可靠性好,界面设计比较灵活,而且比较容易与数据库管理系统接口,可满足我们进行综合校准系统软件的开发与研制。该软件的组成框图如图2所示。系统自检模块完成对系统所有模块的工作情况进行自检,给出系统状态,当系统出现故障时,该程序能明确指出故障所在系统;系统检定模块主要完成对各程序模块的控制协调,它提供各子程序的软面板调用接口;温度控制模块根据检定需要对恒温槽的介质温度进行控制,使温度满足检定的需要;开关通道转换模块控制程序实现数字万用表对被检温度传感器的轮流测量;数据采集模块完成读取恒温槽的温度计的电阻值,通过计算得到标准温度值;数据采集同步模块控制程序完成测量系统与标定系统计算机的同步控制;数据库管理模块实现对被校准仪器的有关信息管理以及对校准历史数据进行存储、查询和分析;数据处理模块及检定证书输出模块完成对测量结果统计、处理和对校准结果进行打印输出。

4解决的问题

4·1硬件的设计

本系统采用GPIB卡进行数据采集,通过通用的IEEE-488接口,其主要用于实验室条件下的测量装置,通用性较强,此标准接口在机械、电气和数据等方面具有较强的兼容性。通过温度控制器对继电器的控制,实现对恒温槽内加热部件的控制,其控制精度较高,稳定性较好,控制也比较灵活。对转换开关通过一般控制电路实现对继电器的控制,实现转换开关通道的自动转换。

4·2数据采集的同步性问题

在系统软件的设计上需要解决的主要问题是测温系统和标定系统在同一校准点的采样时间必须是同步的,也即这两个事件是同时发生的。在本系统中我们采用标准的RS-232的通讯功能,通过被检系统和检定系统进行数据通讯,设置一个同步采样程序,当标定系统进行采样时,发出一个指令,测量系统有一个自检程序,当它检测到标定系统发出的采样指令时就立即进行采样,同时将采样结果发送给标定系统。

摘自:中国计量测控网





【关键词】自动检定;温度传感器;测量不确定度;奥科官网,北京世纪奥科 

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