PT100铂热电阻标定的试验研究

胡琛琛

（江苏师范大学，江苏徐州221000）

PT100铂热电阻标定的试验研究

胡琛琛

（江苏师范大学，江苏徐州221000）

在降温条件下对PT100铂热电阻和铜-康铜热电偶标定系数的试验研究。结果显示：PT100标定结果为一次线性方程，标定系数k值都近似为1，b值都近似为0，不需要标定可直接使用；铜-康铜热电偶因标定系数b值较大，必须标定使用。

岩土工程；PT100热电阻；标定系数

引言

温度传感器广泛应用于科学研究领域和实际工程，目前较多使用的温度传感器主要分为两类：热电偶和热电阻。其中，PT100铂热电阻（以下简称PT100）体积小巧、结构简单、防水抗震、稳定性好［1］；铜-康铜热电偶根据热电势之差测温［2］，具有在低温下工作性能良好，性价比高的特点。PT100和铜-康铜热电偶较多应用于地铁隧道等地下空间冻结法施工中冻结体的自动化监测。

PT100铂热电阻的电阻值与温度之间一一对应，两者存在正比例单调函数关系［3-4］：

由上述铂电阻的电阻值和温度函数关系可看出，铂电阻的电阻值和温度对应关系式并不是始终一致，在0℃前后发生改变。选用铂电阻开展地下工程岩土冻结法施工监测时，土由正温逐渐冻结降为负温，土中水发生相变后对土的温度测量需要切换计算公式：先根据温度选择计算公式，测量得到电阻值，然后反解公式得到测点温度，而且式中参数A、B、C在特定情况下仍需要修正［5］，较为繁琐。Datataker（DT）是一种极为先进的数据采集仪，PT100配合DT使用，DT测得电阻值后可自动根据进行换算直接得到对应温度，非常方便。本文开展±20℃范围内降温条件下，利用DT对PT100铂电阻和铜-康铜热电偶进行试验标定修正和对标定结果进行分析对比。

1　试验概况

1.1试验装置

试验系统，见图1，由温度传感器、DT数据采集仪、水银温度计、冷浴降温设备、PC端监测软件等组成。铜-康铜热电偶，分度号为T型，灵敏度可达到16～38μV/K。PT100铂电阻，规格为装配式、二线制，精度达到0.1℃。水银温度计精度0.1℃。试验方案设计见表1。

图1　DT数据采集仪PT100（左下）、铜-康铜热电偶（右下）

表1　试验方案表

1.2试验过程

试验过程和方法见下：1）在冷浴降温设备内装入酒精溶液作为冷媒，设定降温设备使酒精溶液温度保持在20℃；2）将四只PT100和2只铜-康铜热电偶编号，两类温度传感器探头紧密绑扎在水银温度计测温端周圈成簇状，同时测量酒精溶液中心位置同一测温点的温度，传感器及水银温度计通过磁力吸座固定；3）启动冷浴设备，酒精溶液环向循环流动使溶液温度场各处一致，酒精温度连续降至器读数由DT数据采集仪PC端监测软件实时读出，每间隔30 s记录保存一次水银温度计和温度传感器测温值。

2　试验结果及分析

以水银温度计作为测温点的温度标准值，标定校核温度传感器测值。两者关系可利用MATLAB数学软件对进行拟合。三组试验拟合结果表明，两类传感器的测温值和标准值之间的拟合曲线都可以用一次线性方程y=kx+b表示，该数学模型中x表示温度传感器测值，y表示温度标准值，k为拟合斜率，b为拟合截距。

表2　PT100拟合标定系数

表3　铜-康铜热电偶拟合标定系数

1）两类温度传感器拟合曲线均为一次线性方程，线性相关系数R2均大于0.9，线性回归情况极好，拟合曲线可作为传感器标定曲线。

2）通过对表2中数据横向比较，对于同一只PT100，改变试验方案，无论在正温还是在负温情况下降温标定，k值和b值改变很小，说明利用DT对PT100进行标定时，可认为标定系数在0℃前后没有发生改变。

3）通过对表2中数据纵向比较，4只PT100的标定系数近乎相同。

4）综观表2，PT100传感器标定系数k值近似为1，b值十分微小，可以忽略不计，因此PT100在一般使用中不需要标定校核，连接到DT数据采集仪直接读数。

5）由表3可知，铜-康铜热电偶线标定系数b值平均为2.21，标定拟合曲线明显偏离坐标原点，传感器测值经标定后才能满足使用要求。

3　结语

1）PT100和铜-康铜热电偶的线性相关系数都大于0.99，拟合理想，传感器测值和标准温度值之间存在较强的线性关系，两者之间关系可用线性表达式进行描述。

2）相比较传统电阻标定方法，利用DT标定PT100温度传感器的方法求解标定系数方便，较为简单易行：PT100温度传感器使用DT标定时，在0℃前后的标定系数没有发生改变，正温和负温范围内都具有相同的一次线性标定公式且线性相关系数接近于1；而传统的电阻标定公式需要在0℃前后需要切换公式，且为二次多项式。

3）不同个体PT100传感器的标定参数差异极小；由于PT100标定系数k值都近似为1，b值可忽略不计，因此在实际工程中精度要求不高的情形下，PT100连接到DT数据采集仪后可不需要标定，读数即可认为是测点实际真实值，直接使用。

4）铜-康铜热电偶虽标定系数b值在较大，如不标定直接使用，传感器测值比实际真实温度大2.3℃左右，偏差较大，明显影响冻结范围的计算确定，需要经过标定才能投入使用。

［1］于莹莹.新型PT100传感器智能温度测量系统的研究与开发［J］.电大理工，2010（1）:27-28.

［2］宋德华，高鸿春.低温热电偶［M］.北京:中国计量出版社，1992.

［3］吴大军，杨姗姗，邱成军.基于最小二乘法的PT100曲线拟合算法的研究［J］.安徽农业科学，2011，39（20）:11 989-11 990.

［4］王生铁，王志和.铂电阻温度传感器非线性校正的新方法［J］.仪表技术与传感器技术，1998（2）:40-43.

［5］孙云霞，吕国义.提高温度传感器测试精确性的方法［J］.计测技术，2009，29（3）:26-28.

（编辑：王慧芳）

Experimental Research on the Calibration of PT100

Hu Chenchen
（Jiangsu Normal University，Xuzhou Jiangsu 221000）

An aim of our experiments was to determine the influence of temperature on the calibration of PT100 and copper-constancy thermonuclear temperature sensors in cooling process，Results indicate that PT100 can be directly put into use without any calibration，however it is otherwise for copper-constancy thermoplastics.

geotechnical engineering；PT100；calibration coefficients

TU9

A

2095-0748（2015）21-0038-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.17

2015-10-12

胡琛琛（1985—），男，江苏徐州人，工学硕士，工程师，职称初级，研究方向：地下空间岩土工程。