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CN113639887A - 一种多种分度方法的高精度数字温度计 - Google Patents

一种多种分度方法的高精度数字温度计 Download PDF

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CN113639887A
CN113639887A CN202110944105.2A CN202110944105A CN113639887A CN 113639887 A CN113639887 A CN 113639887A CN 202110944105 A CN202110944105 A CN 202110944105A CN 113639887 A CN113639887 A CN 113639887A
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CN
China
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precision
digital thermometer
treatment
temperature sensor
thermometer
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Application number
CN202110944105.2A
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English (en)
Inventor
金志军
陈伟昕
邱萍
刘薇
曾永春
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National Institute of Metrology
Original Assignee
National Institute of Metrology
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    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G—PHYSICS
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    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明公开了一种多种分度方法的高精度数字温度计，主要包括高精度温度传感器和电测设备，本高精度标准数字温度计的研制主要包括温度传感器加工制作和电测设备的设计研发，还包括数字温度计的分度方法的试验研究，高精度温度传感器的元件采用铂电阻陶瓷元件，其制作的关键因素包括元件选择、绝缘处理、干燥处理、焊接处理和清洁处理；另外，铂电阻陶瓷原件的精度为1/10B级，采用四线制。本高精度标准数字温度计将IEC60751的CVD方程、ITS‑1990国际温标、多项式曲线拟合等多种分度方法集合在一台设备中，根据实际需要选择使用，为标准数字温度计替代标准水银温度计提供技术支撑，提供替代水银温度计的产品。

Description

一种多种分度方法的高精度数字温度计
技术领域
本发明属于数字温度计技术领域，具体涉及一种多种分度方法的高精度数字温度计。
背景技术
数字温度计是测温仪器类型的其中之一，可以准确地判断和测量温度，以数字显示，而非指针或水银显示。
原环境保护部会同相关部委2017年发布的第38号公告(以下简称38号公告)《关于汞的水俣公约》自2017年8月16日起对我国生效，其中明确“自2026年1月1日起，禁止生产含汞体温计和含汞血压计。2020年10月16日，国家药监局发布《国家药监局综合司关于履行<关于汞的水俣公约>有关事项的通知》，明确要求，自2026年1月1日起，我国将全面禁止生产含汞体温计和含汞血压计产品。标准水银温度计作为我国温度量传中的标准器具，仍在广泛使用，高精度标准数字温度计研发的目标之一是能够实现替代标准水银温度计，为保护环境，减少“汞”污染提供技术保障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多种分度方法的高精度数字温度计，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多种分度方法的高精度数字温度计，主要包括高精度温度传感器和电测设备，
一方面，高精度温度传感器制作的关键因素包括元件选择、绝缘处理、干燥处理、焊接处理和清洁处理；
另一方面，电测设备用于测量和显示温度，具有基准滤波器。
作为本发明的一个较佳实施方案，高精度温度传感器的元件采用铂电阻陶瓷元件。
更进一步的，铂电阻陶瓷原件的精度为1/10B级，采用四线制。
作为本发明的另一个较佳实施方案，基准滤波器可在不明显损害基准准确度或温度系数的情况下产生一个低噪声基准电压。
本发明的技术效果和优点：本高精度标准数字温度计的研制将形成标准数字温度计的系列技术条件，为标准数字温度计替代标准水银温度计提供技术支撑，提供了一种合理的替代水银温度计的产品，减小对环境的污染；并且，在减少“汞”的使用，保护环境和履行国际责任等方面，具有重要意义；在温度量值传递与溯源上，提供可靠的计量标准器具，以满足各级技术机构对于计量溯源的需求，实现标准的有效衔接和顺利过渡，为顺利实施水俣公约奠定基础，提供了一种可供选择的基础设备；
本高精度标准数字温度计将IEC60751的CVD方程、ITS-1990国际温标、多项式曲线拟合等多种分度方法集合在一台设备中，根据实际需要选择使用，不仅扩展了使用的便利性，而且提高了测量稳定性，同时可以实现多种方法之间测量结果的直接比较，实现了多种方法的一体化。
附图说明
图1为本发明的电压基准滤波电路图；
图2为本发明的高精度温度传感器空闲时段的激励电流保持电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明提供了如图1-图2所示的一种多种分度方法的高精度数字温度计，主要包括高精度温度传感器和电测设备，本高精度标准数字温度计的研制主要包括温度传感器加工制作和电测设备的设计研发，还包括数字温度计的分度方法的试验研究。
实施例一
高精度温度传感器的元件采用铂电阻陶瓷元件，其制作的关键因素包括元件选择、绝缘处理、干燥处理、焊接处理和清洁处理；另外，铂电阻陶瓷原件的精度为1/10B级，采用四线制；
本项目从元件选择、制作工艺、退火特性和热迟滞效应等热处理过程进行实验研究，形成高精度温度传感器计制作的技术条件。通过焊接、填充和封装工艺的实验，制作精度高、稳定性好的铂电阻温度传感器；通过退火处理、迟滞效应等实验，提高稳定性。
实施例二
电测设备具有基准滤波器，用于测量和显示温度，其稳定性和抗干扰能力是保证高精度标准数字温度计准确、稳定的基础；
为了最大限度地提高测温仪的信噪比，电压基准是模拟信号转为数字信号的标杆，电压基准的噪声也会反映到最终输出的数字结果上，研制中重点关注降低电压基准的噪声。
降低基准噪声的方法主要有：1.增加旁路电容器的大小，旁路电容的取值范围是10到100uF；2.在基准输出端上采用一个简单的低通RC滤波器；3.并联多个低噪声基准，电压基准并联限制主要是空间，电压力准噪声与并联基准数量的关系是平方根分之一，通常并联的数量是4个，最多可以到10个。基准输出端上大的旁路电容器本身不能产生一个足够低的有效截止频率，无源RC滤波器本身虽可提供一个低的截止频率，但会产生一个随着采样频率和温度而变化的输出电压，并联多个低噪声基准成本昂贵且功耗很大。
如图1所示，本设计研制的基准滤波器可在不明显损害基准准确度或温度系数的情况下产生一个低噪声基准电压，功耗和成本适中；
如图2所示，为了保证数字温度计电测设备两个通道的一致性，采用了一个gain放大器和一个adc对两个通道轮流采样，为保证通道的一致性，并解决自热变化，设计采样器的激励电流保持电路。
高精度标准数字温度计电测设备方面设计研制了基准滤波器、激励电流保持等极大的提高了测量的稳定性，为实现高精度的测量提供了技术基础。
实施例三
分度方法也是影响温度计的重要因素之一，科学合理的分度方法不仅能够提高测量准确度，而且能够提高设备的稳定性；本数字温度计研制的电测设备具有IEC60751的CVD方程、ITS-1990国际温标和多项式曲线拟合等多种方法的一体化实现功能。
本数字温度计对实验用传感器在不同分度方法下分别进行分度，通过输入不同方法的方程系数可以得到各种条件下的温度数值。
本数字温度计的实验数据如下：
1.不同分度方法的影响实验研究
高精度标准数字温度计出来电测设备、温度传感器之外，分度方法也是影响温度计的重要因素之一，科学合理的分度方法不仅能够提高测量准确度，而且能够提高设备的稳定性。
课题研制的电测设备具有IEC60751、ITS-1990国际温标、多项式等多种方法的一体化实现功能。课题对实验用传感器在不同分度方法下分别进行分度，给出不同方法下的系数。
1.1 IEC60751分度方法
实验用10支温度传感器(已经过退火和冷热循环等热处理实验)分别在-60℃、0℃、100℃、200℃和300℃进行电阻测量，数据见表1。
表1温度传感器测量电阻值
Figure BDA0003216181920000041
Figure BDA0003216181920000051
IEC国际电工委员会工业铂电阻标准IEC60751-2008、OIML国际法制计量组织工业铂电阻国际建议R84-2003和国家计量检定规程JJG229-2010等国内外有关工业热电阻的标准文件，对于工业铂热电阻均采用Callendar-Van Dusen(CVD)方程进行检定分度，10支温度传感器根据CVD方程计算出的各自系数见表2。
由Callendar-Van Dusen(CVD)方程定义的电阻-温度关系曲线如下：
Figure BDA0003216181920000061
式中：
R(t)------温度为t时铂热电阻的电阻值，Ω；
t------温度，℃
R(0)------温度为0℃时铂热电阻的电阻值，Ω
A,B,C------常数
表2温度传感器CVD方程系数
Figure BDA0003216181920000062
Figure BDA0003216181920000071
Figure BDA0003216181920000072
1.2 ITS-1990国际温标分度方法
通常标准铂电阻温度计(SPRT)按照ITS-1990国际温标内插公式来计算分度，工业铂电阻(IPRT)按照Callendar-Van Dusen方程来分度，二者在方法上存在一定的差异。
在ITS-90温标中，温度值T是由电阻比得到的，电阻比：
W(T90)＝R(T90)/Rtp (2)
式中：W(T90)------电阻比
R(T90)------温度T的电阻值，Ω
Rtp------水三相点电阻值，Ω
不同温区的偏差函数如下：
(13.8033K-273.16K)℃偏差函数：
Figure BDA0003216181920000081
(0-961.78)℃偏差函数：
W(T90)-Wr(T90)＝a[W(T90)-1]+b[W(T90)-1]2+c[W(T90)-1]3+d[W(T90)-W(660.323℃)]2
(4)
式中：Wr(T90)------特定的参考函数，由公式(5)确定：
Figure BDA0003216181920000082
a,b,c,d------系数
10支温度传感器根据ITS-1990温标定义测量得到的数据见表3。
表3温度传感器ITS-90温标分度数据
Figure BDA0003216181920000083
Figure BDA0003216181920000091
Figure BDA0003216181920000101
1.3多项式分度方法
铂电阻温度计电阻与温度存在一定的线性关系，可用多项式表达为式(6)：
Rt＝R0(1+a1t+a2t2+a2t3+a4t4) (6)
通过多点测量，运用公式(6)可以给出其中的各项系数，幂指数越高，得到的方程越精确。对温度范围在(-60～300)℃，允许误差±0.03℃以内，四次方已经可以满足使用需求，因此课题以四次方为基础进行实验。传感器多项式方程的基本数据见表4。
表4多项式方程的系数
Figure BDA0003216181920000102
Figure BDA0003216181920000111
2.良好的稳定性
研制的高精度标准数字温度计经过试验验证具有良好的稳定性，在-60℃、0℃分别进行了9h、6h的稳定性试验，稳定性优于20mk，即0.02℃。
Figure BDA0003216181920000112
Figure BDA0003216181920000121
2.1不同方法的分度差异
对于IEC6075、ITS-90、多项式等不同的分度方法，经试验研究显示相互见差异无明显有规律的变化，对于分度方法的差异研究，应有一定的前提条件，温度计具有一定的稳定性才考虑方法不同的影响，对于稳定性较差的温度计，具体说哪种方法的优劣是不合理的，也没有深入研究的价值。因此，本高精度数字温度计的前提是稳定性好的温度传感器和电测设备。
Figure BDA0003216181920000122
通过实验，项目于2020年在中国计量测试学会申请《精密数字温度计性能测评方法》团体标准的编写，已立项并将于2021年12月完成，通过标准的编写制定，为顺利推进水俣公约的实施，实现标准水银温度计的替代奠定基础。
以上所述，仅为发明较佳的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在发明揭露的技术范围内，根据发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多种分度方法的高精度数字温度计，其特征在于：主要包括高精度温度传感器和电测设备，
一方面，高精度温度传感器制作的关键因素包括元件选择、绝缘处理、干燥处理、焊接处理和清洁处理；
另一方面，电测设备用于测量和显示温度，具有基准滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种多种分度方法的高精度数字温度计，其特征在于：高精度温度传感器的元件采用铂电阻陶瓷元件。
3.根据权利要求2所述的一种多种分度方法的高精度数字温度计，其特征在于：铂电阻陶瓷原件的精度为1/10B级，采用四线制。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种多种分度方法的高精度数字温度计，其特征在于：基准滤波器可在不明显损害基准准确度或温度系数的情况下产生一个低噪声基准电压。
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