现场校准用的测温传感器*

陈 宇 姚丽芳 朱学平 / 上海市计量测试技术研究院

现场校准用的测温传感器*

陈 宇 姚丽芳 朱学平 / 上海市计量测试技术研究院

介绍了一种新型的现场校准用测温传感器，从温度计的结构和电阻-温度系数计算方法方面进行论述，并提供相应的试验数据。对温度计的稳定性等方面进行分析，显示该测温传感器的优点，可用于温度产品的现场校准，具有一定的实用价值。

铂电阻；分度；测温准确度；测温传感器

0 引言

热电阻是中低温领域中最常用的测温传感器。它的准确度高、互换性好，并且性能稳定，因此广泛应用于各个厂矿企业中。其中A级和AA级铂电阻也被计量部门大量使用于现场校准。随着工业的蓬勃发展，现场使用的大量计量仪器，其性能也在不断提升，如干式炉、水浴锅、精密恒温槽、熔融指数仪，以及石油行业用的运动黏度、倾点、凝点测定仪等。这些仪器的温度误差或均匀性、稳定性等技术参数通常为0.1 ℃左右。而A级铂电阻在0 ℃最大误差为±0.15 ℃，AA级铂电阻为±0.10 ℃，显然，用A级或AA级铂电阻来检测这类仪器已经不符合要求。二等标准铂电阻温度计可以用于现场校准，然而易碎、怕震、成本高的缺点导致其不适合作为现场校准的标准器。

1 铂电阻的工作原理

铂电阻测温是基于金属铂丝的电阻值随着温度变化而变化的这一特性来进行测量的。在不同的温度段，有以下的电阻-温度关系[1]。

其中：A= 3.908 3×10-3℃-1，B= -5.775 0×10-7℃-2，C= -4.183 0×10-12℃-4

2 现有工业铂电阻的优缺点

工业铂电阻广泛应用于工业场合，发展至今，结构也在不断地变化更新，目前主要有4种。

1）云母铂电阻：将铂丝绕在片状边缘有牙的云母骨架上，再由绝缘云母片及不锈钢夹件等构成。其特点是工艺简单，成本低，但是容易污染，长期稳定性差，阻值会逐渐变大。

2）陶瓷内绕式：将铂丝绕成弹簧状，贯穿于两孔或四孔的瓷管中，将各孔中的铂丝进行串联，于一端引线引出。其优点在于工艺简单，可以在低温-200 ℃下使用，缺点是不能用于振动场合，这是因为它内部绕阻如垂下的电阻丝，高温状态下会变软，随着时间延长，会出现上部弹簧匝间距增大，下部间距减小。如有振动，下部匝间容易短路，导致电阻变化出现异常，以至测温不准。

3）膜式铂电阻：将金属铂喷涂在陶瓷基片上，通过激光调阻制成。这种铂电阻解决了前两种形式的弊端，但是它是片状，单面受热，100 Ω的电阻集中在几平方毫米的面积上，自热系数较大，只适合通入0.5 mA激励电流，而我国生产使用的二次仪表提供的电流通常为1 ～ 5 mA，因此会导致自热过大影响测温的准确性。

4）整体烧结式陶瓷铂电阻，抗震性好，响应速度快，自热小，可靠性稳定性都不错[2]。

3 现场校准用测温传感器的设计与分度

由于现有工业铂电阻的各种缺陷，导致其测温准确度无法再提高，因此考虑从两方面来改善其准确度。首先从感温元件结构上考虑，将铂电阻感温元件的结构改造成接近标准铂电阻温度计的无应力结构。1990年国际温标规定将标准铂电阻温度计作为中低温区的内插仪器，因此，标准铂电阻温度计感温元件的结构设计是最合理的。

1）采用同一批W100（R100/R0）约等于1.385的丝材，绕制成弹簧状，并成螺旋状绕在十字骨架上。

2）温度计采用的所有材料，如铂丝，引线，十字骨架等经过严格的清洗，并在无尘箱中进行装配，从而使铂丝不受污染[3]。

3）制作过程中，不可避免会导致铂丝产生很多应力，因此制作完成后需在温度计上限退火100 h以上，使温度计的阻值保持稳定。

工业铂电阻温度计在较窄的温度范围内使用，它的测温准确度和稳定性都是不错的（100 ℃以下），随着使用温度的增加，误差值迅速增大。并且在工业应用中使用铂电阻要求互换性好，都使用统一的分度表，而不同厂家生产的各种类型的铂电阻产品质量参差不齐，误差也不尽相同，从整体上来看工业铂电阻温度计测温准确度不高[4]。因此采用同一批丝材制作了五支铂电阻温度计，并进行单独分度，可以显著提高铂电阻温度计的测温准确度。

将一支温度计在450 ℃退火2 h后，依次测量0.01 ℃、50 ℃、100 ℃、150.200 ℃、231.928 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、419.527 ℃、-196 ℃、-38.834 4 ℃时的阻值。通过密集的多点测量，利用最小二乘法可以准确地拟合出铂电阻温度计的温度特性曲线[5]。如图1，其中纵坐标为电阻，横坐标为温度。同时可以求得该温度计的A、B常数。将温度计低温段的数据以及A、B常数的值带入式（1），即可求得常数C。

用同样的方法求得其余四支温度计的A、B、C常数，取五支温度计的A、B、C常数的平均值A′、B′、C′作为这五支温度计的通用常数。将各温度计的R0值，A′、B′、C′输入配套使用的数字仪表中即完成了温度计的分度。

图1 现场校准用测温传感器温度-电阻关系

4 测温传感器误差验证

将五支测温传感器与一支一等标准铂电阻温度计同时插入恒温源中，示值稳定后进行读数，直接进行温度数值的比较，经计算得到各支温度计的误差（见表1）。可以看到，测温传感器在整个-200～ 420 ℃范围内，最大误差绝对值仅为0.03 ℃，而AA级铂电阻的误差约为±（0.1 ～ 0.8）℃，且温度越高，误差越大。由此可知，测温传感器的研制及重新分度极大地改善了铂电阻温度计的测温准确度。

表1 测温传感器的误差验证

5 结语

现场校准用测温传感器的研制改善和提高了工业铂电阻温度计的测温准确度，在现场校准应用中既解决了A级及AA级铂电阻测温准确度不够的问题，同时又可作为二等标准铂电阻温度计的替代品，降低了成本。经实践证明，现场校准用测温传感器可以很好地胜任现场校准工作。

[1] 胡文旭. 铂电阻精密测温研究[J]. 陕西师范大学学报， 2000, (12): 59-62.

[2] 赵玉柱，陈福江. 一种新型高温抗振铂电阻[J]. 硅谷，2009,（02）: 121.

[3] 喻秉文. 铠装标准铂电阻温度计的研制[J]. 宇航计测技术，1990, (4): 47-53.

[4] 朱育红. 工业铂电阻精确测温的方法[J]. 中国测试技术, 2007, (7): 50-52.

[5] 熊朝晖. 提高工业铂电阻温度计的测量准确度[J]. 计量与测试技术, 2006, (4): 6-8.

Development of temperature sensor used in fi eld calibration

Chen Yu，Yao Lifang，Zhu Xueping
（Shanghai Institute of Measurement and testing technology）

This paper introduce a new temperature sensor which can be used in field calibration. It analyses sensor structure and calculation method of temperature coefficient of resistance, and provide experimental data. The stability analysis of this sensor shows its advantage, which has a certain practical value.

platinum resistance；calibration；accuracy of temperature measurement；temperature sensor

上海市质量技术监督局科技计划项目（2012-47）