溫度傳感器自動檢定技術
發布時間：2017-09-01
引言
溫度是用來表征物體冷熱程度的一種狀態參數。目前溫度傳感器在工農業生產、科學技術研究、國防科研任務以及人們日常生活中廣泛應用,為確保工作中溫度傳感器測量數據的準確性和可靠性,就必須嚴格執行IPTS90國際溫標的溯源性,即對溫度傳感器進行定時檢定。由于傳統的校準工作不僅需要較長的工作時間,而且與校準工作人員的經驗有關,存在校準效率較低、檢定結果不一致等問題,因此,本文介紹了一種溫度傳感器自動檢定系統技術,該系統可以替代傳統的手動檢定,提高檢定效率,減少人為誤差。
1系統組成及原理
系統由計算機、恒溫槽、溫控器、通道轉換控制器、標準溫度傳感器、被檢溫度傳感器(鉑電阻溫度傳感器)、低電勢轉換開關、數字多用表等組成,系統組成框。
系統工作過程為:恒溫槽提供一個穩定均勻的溫度場,通過數字多用表測得標準溫度計的電阻,而多個被檢溫度傳感器經過被控制的低電勢轉換開關通過數字多用表測得各被檢溫度傳感器的電阻,再由計算機通過數據采集卡讀取其數據,最后通過計算機利用溫度計百分表插分公式得到溫度值。將標準溫度傳感器和被測傳感器的數值進行比較,從而判斷傳感器的性能。
從工作過程可知,控制計算機是系統的核心,通過GPIB接口卡和通訊接口完成對被檢溫度傳感器、溫度控制器、低電勢轉換開關通道轉換及校準流程的控制,以及對校準數據的分析和處理。為了保證溫度場的均勻性,通過內部攪拌機對介質進行攪拌,從而使恒溫槽內溫度一致。為了保證溫度的穩定性,通過溫度控制器控制恒溫槽內介質的溫度,它在計算機的控制下結合自控溫度計一起利用一個反饋電路來提供一個被校準的溫度計與固定點或校準點所需的均勻穩定溫度場。
2系統的誤差分析和處理
2?1系統的誤差分析
檢定系統的不確定度主要與標準溫度傳感器、數字多用表、檢定裝置溫度場不均勻性、溫度場的穩定性、測量重復性等有關。
本系統采用直接比較法對溫度傳感器進行檢定,其檢定方法應用于一般計量實驗室和工業實驗室。溫度傳感器校準的基本條件是溫度場穩定,其允許的溫度范圍從零點幾個mK到幾百個mK不等,并且使被檢溫度系統的溫度與相應的固定點溫度或校準點溫度一致。根據熱力學定律,若有兩個熱力學系統處在各自不同的狀態,當這兩個系統相互接觸時會產生熱交換,經過一段時間后,兩個系統會達到穩態不再變化,即達到一共同的平衡態。由于這種熱平衡是兩個系統在熱交換的條件下達到的,即達到了熱平衡狀態。在檢定時必須確保標準溫度傳感器和被檢傳感器插入恒溫箱的深度不小于300mm,實際溫度偏離檢定點不大于2℃,溫度變化每10分鐘小于0?04℃。為了保證測試數據的準確性,在同一校準點一般要按升溫與降溫過程各做一定數量的重復測試,以減小滯后和讀數誤差等系統誤差。我們在每個校準點采取多個數值,以此減小由于溫度場波動帶來的影響。
2?2系統誤差處理
(1)測量方法及被測系統的不確定度分析為了保證測試的準確性,在此系統中采用對某一點溫度分別進行上升過程和下降過程各測取10組數據,分別求其平均值作為其測量值。
(2)標準檢定系統不確定度分析
A類不確定度
B類不確定度
(1)二等鉑電阻溫度計的傳遞誤差μ(x1)0℃時,由檢定規程,Rtpd的檢定周期不穩定性為5mK,合電阻4?99×10-4Ω,屬于正態分布:
同理,100℃時,由檢定規程,Rtpd的檢定周期不穩定性為12mk,合電阻1?16×10-4Ω,屬于正態分布
(2)恒溫槽不均勻性引入的誤差μ(x2)
由恒溫槽技術說明書可得,恒溫槽各插孔之間的溫差最大為0?01℃,不確定度區間的半寬度為a=0?01℃=3?79×10-3Ω,屬于均勻分布。
0℃時,不確定度的區間的半寬度為100Ω×0?0015%0?0015Ω,屬于均勻分布。
100℃時,不確定度的區間的半寬度為138?5Ω×0?0015%=0?002Ω,屬于均勻分布。
(4)水三相點瓶0?01℃引入的誤差μ(x4)水三相點瓶由中國計量科學研究院生產,其提供的不確定度為0?3mK=1?69×10-3,服從均勻分布。
(3)系統的不確定度
系統的不確定度由自身的不確定度及計量標準系統的不確定度構成。
3軟件設計
在軟件設計中,系統采用的是以windows作為開發界面,使用Vc++作為開發平臺進行數據采集及數據處理,綜合了圖形化開發平臺和標準化平臺的優點,開發程序效率較高、可靠性好,界面設計比較靈活,而且比較容易與數據庫管理系統接口,可滿足我們進行綜合校準系統軟件的開發與研制。該軟件的組成框圖如圖2所示。系統自檢模塊完成對系統所有模塊的工作情況進行自檢,給出系統狀態,當系統出現故障時,該程序能明確指出故障所在系統;系統檢定模塊主要完成對各程序模塊的控制協調,它提供各子程序的軟面板調用接口;溫度控制模塊根據檢定需要對恒溫槽的介質溫度進行控制,使溫度滿足檢定的需要;開關通道轉換模塊控制程序實現數字萬用表對被檢溫度傳感器的輪流測量;數據采集模塊完成讀取恒溫槽的溫度計的電阻值,通過計算得到標準溫度值;數據采集同步模塊控制程序完成測量系統與標定系統計算機的同步控制;數據庫管理模塊實現對被校準儀器的有關信息管理以及對校準歷史數據進行存儲、查詢和分析;數據處理模塊及檢定證書輸出模塊完成對測量結果統計、處理和對校準結果進行打印輸出。
4解決的問題
4?1硬件的設計
本系統采用GPIB卡進行數據采集,通過通用的IEEE-488接口,其主要用于實驗室條件下的測量裝置,通用性較強,此標準接口在機械、電氣和數據等方面具有較強的兼容性。通過溫度控制器對繼電器的控制,實現對恒溫槽內加熱部件的控制,其控制精度較高,穩定性較好,控制也比較靈活。對轉換開關通過一般控制電路實現對繼電器的控制,實現轉換開關通道的自動轉換。
4?2數據采集的同步性問題
在系統軟件的設計上需要解決的主要問題是測溫系統和標定系統在同一校準點的采樣時間必須是同步的,也即這兩個事件是同時發生的。在本系統中我們采用標準的RS-232的通訊功能,通過被檢系統和檢定系統進行數據通訊,設置一個同步采樣程序,當標定系統進行采樣時,發出一個指令,測量系統有一個自檢程序,當它檢測到標定系統發出的采樣指令時就立即進行采樣,同時將采樣結果發送給標定系統。
摘自：中國計量測控網
