高压环境下温度传感器矫正系统研制及应用

付学志 张勇亮 范 维

(1.中国人民解放军92228部队，北京 101300； 2.上海杉达学院，上海 200433)

1 引言

目前市场上常用的温度传感器为金属材料热敏电阻材料制成，该传感器可在高气压环境下使用，特别在复杂水下环境下潜水作业人员、装备的实时温度监测中应用较多。但在高气压环境下，热敏电阻材料常常会因为压力环境影响而导致温度测定值产生较大的偏移，且各类温度传感器偏移的数值各不相同，有时甚至同类温度传感器偏移的数值也没有规律可循[1]。这种情况对于水下高压力环境下的温度监测带来了极大的困扰，在实际工程应用中常常出现因温度测定的误差导致测试结果失效的案例，特别影响到了水下作业人员、装备的温度预警值的准确性，造成重大安全隐患[2]。

由于水银温度计是利用液体热胀冷缩的原理制成，因而其测试的温度值不会受压力的影响。本研究利用水银温度计与常用的热敏电阻温度传感器进行高压环境下温度数值测试矫正试验，建立了一套高压环境下使用的传感器温度矫正系统及其使用方法，并通过实验验证了高压下温度传感器测试值的偏移性与矫正方法，得到在不同压力下，热敏电阻温度测量值与水银温度计温度测量值之间的函数关系(对于热敏电阻来说，即为测试值与矫正值之间的关系)，为不同品牌的温度传感器在高压环境下测试数据的真实性提供了有效的控制方法，解决了高压环境下温度传感器测试数据的漂移问题。

2 高压环境下温度传感器矫正系统结构原理

高压下温度传感器偏移矫正系统由环境模拟设备、热敏电阻温度传感器(被测量)、水银温度计(矫正量)、监测记录设备组成。环境模拟设备为高压舱，可以通过注水、注入高压空气模拟潜水员水下一定深度的高气压环境。在舱顶部和底部分别安装气加热装置和水加热装置以对高压舱内空气和水进行加热。

如图1所示，将两组热敏电阻温度传感器(气温实测组、水温实测组每组4支)和两组水银温度计(气温矫正组、水温矫正组每组4支)置于加压仓中，水中和空气中各放1个对比组，水银温度计左右两侧的上方设有高清摄像头，可以清晰看到每支水银温度计的温度读数。两组共8支热敏电阻温度传感器通过穿仓件与舱外的温度显示屏相连接，可以在舱外实时读出各支传感器的温度值。加压舱顶部设有气温加热装置，底部设有水温加热装置，可以为舱内的高压环境下的气和水加热至不同温度。

图1 高压下温度传感器偏移矫正系统示意图

由于水银温度计是利用液体热胀冷缩的原理制成，其测试的温度值不会受压力的影响。因而在实验时，将两组水银温度计测试高压环境下水温和气温的数据作为基准值，再记录两组利用热敏电阻温度传感器测试该环境下水温和气温数据，热敏电阻温度传感器测得的数据可认为是实测值，水银温度计测得的数据可认为是矫正值，对两组数据进行拟合分析，得到实测值与矫正值之间的数据拟合方程，从而得出高压环境下热敏电阻温度传感器气温与水温测试结果的矫正规律[3]。

3 温度传感器矫正实验

3.1 实验方法

在加压舱中注水直到淹没水温测试组的测试仪器后停止注水，开始为加压舱注入高压空气加压至第一压力点0.1MPa，同时开启水和气体加热装置加温。第一次水和气均加温加至20℃，通过高清摄像头记录水银温度计气温组与水温组共8支的读数，通过舱外显示屏记录热敏电阻温度传感器气温组与水温组共8支温度；然后继续加温至25℃，同样的方式记录两组温度测试装置的读数，以此类推，每次升温5℃后记录两组温度测试装置的读数，直到温度达到70℃测试最后一次数据(图2、图3)。

图2 加压舱控制台

图3 温度传感器接入舱内

第1个压力点0.1 MPa测试结束后，待温度冷却至常温，进行第2个压力点0.2 MPa的测试，压力测试点可逐次增加0.1MPa，直到最大压力1.0MPa。通过压力的变化，可以实现在不同压力下温度热敏电阻温度传感器测量结果的矫正，分析不同压力对热敏电阻温度传感器测试气温、水温结果的影响规律，找到气温和水温的在一定压力下测试温度与矫正温度的拟合规律。

在同一压力下的每一个温度测试点上，气温实测组、气温矫正组、水温实测组、水温矫正组各组都会各产生4个测试数据，为了减小测试误差，采取将每个组的4个数据取平均值的方法获得该温度下每组测试装置的最终测试温度，水银温度计4个测试平均值用Z表示，热敏电阻温度传感器测试平均值用X表示。温度矫正的过程采用气温与水温分开矫正的方式，即用气体环境下的水银温度计数据来矫正气体环境下的热敏电阻温度传感器，用水环境下的水银温度计数据来矫正水环境下的热敏电阻温度传感器，两者不互相干扰，最终得出气、水各自不同的矫正公式[4，5]。

表1为0.1 MPa下水温测试组的记录方式。

表1 0.1 MPa水温测试组记录方式

表1记录的是0.1 MPa下水温测试组、水温矫正组在不同温度点时的数据，X1表示第一个温度点20℃下水温实测组4个温度传感器测试值的平均值，Z1表示第一个温度点20℃下水温矫正组4个水银温度计测试值的平均值，以此类推。

压力变化过程选取11个压力测试点，从0.1 MPa开始以0.1 MPa为单位一直增加到1.0 MPa，作为不同压力的输入值。

得到以上数据后，利用回归分析的方法进行数据拟合，将实测组测试值用X表示，将矫正组测试值用Z表示，通过多变量非线性拟合方程可以得到在不同环境压力下矫正温度值Z与实测温度值X之间的函数关系。

3.2 数据拟合方法

在0.1 MPa下水中两组温度传感器的实验结果见表2。

表2 0.1 MPa水温测试组测试值

从表2的实测组与矫正组的测温数据可以看出，在0.1 MPa下热敏电阻温度传感器对比水银温度计的值有一定的偏离。在数据拟合的过程中，根据温度数据拟合的规律并考虑到三次多项式拟合的准确性，可以得到矫正温度与测试温度之间的关系一般由三次多项式拟合关系[6]：

Z=a0+a1*X+a2*X2+a3*X3

其中a0，a1，a2，a3为0.1 MPa下的一组定标数据计算得到的压力系数，表示环境压力对温度测试数据影响的某一换算关系。通过实验得到0.1 MPa到1.0 MPa各自压力下的不同定标数据，可拟合出不同压力下测试温度与矫正温度之间的函数关系。将表2中 0.1 MPa下水温测试的数据用Matlab软件进行数据拟合，拟合结果如下：a0=3.0178，a1=0.7246，a2=0.0054，a3=3.2266×10-5，得出曲线如图4所示。

图4 0.1MPa水温数据拟合曲线图

4 讨论与分析

针对高压下常用温度传感器测试值产生偏移的问题，建立了高压下温度传感器矫正系统通过数据拟合的方法得到了不同压力下测试温度与矫正温度之间的函数关系。通过矫正实验可知：

高压环境下无论在水中还是空气中，水银温度计使用封闭腔体，测试部分被密封于常压环境中，不受高压环境的影响，因而它的测试值可以认为是矫正值[7，8]。高压下常用的热敏电阻温度传感器测试值较水银温度计测试值有一定的偏离，可以得出高压环境对常用的热敏电阻温度传感器测试结果有着一定的影响。

本研究设计的高压下温度矫正系统可以针对常用的热敏电阻温度传感器进行矫正，得出矫正结果可以通过数据拟合的方式得出测试温度与矫正温度的对应函数关系。对于某一确定品牌型号的热敏电阻温度传感器的高压下矫正，通过利用本系统不同压力下的一次实验便可以进行矫正，得出的实验数据可在同品牌型号同通用，不需要重复矫正，更换品牌型号后只需再进行一次矫正实验即可，具有良好的可操作性和实用性，该系统对于同类同型号温度传感器的高压下使用的温度矫正具有一定的参考意义。