重庆川仪十七厂有限公司
摘要：铂热电阻一体化温度计由铂热电阻和温度变送器组成，其整体精度亦由铂热电阻允差与温度变送器精度组成，整体精度远未达到部分工业过程所需对温度进行高精度的测量。本文研究内容包括将温度变送器和铂热电阻视为一个整体，通过重塑特定铂热电阻温度-电阻函数曲线，屏弃常规测温中0℃标称电阻R0及电阻温度系数α对测量精度的影响，进而实现高精度测温。
关键词：铂热电阻 温度变送器 允差 高精度 一体化 温度计
铂热电阻由元件及引线组成，铠装引线因直径细小、绝缘性能好、可任意弯曲等特点被广泛应用。铂热电阻常采用3线制或4线制方式来减小测量误差，在实际应用中，3线制减小误差满足的条件必须满足3根引线电阻完全相等。4线制引线方式理论上完全消除引线带来的误差。
铂电阻分为线绕元件及膜式元件，线绕元件包括陶瓷元件和云母元件，通过将铂丝绕制在陶瓷或云母骨架上实现，通过调节铂丝长度实现R0的调节。膜式元件包括薄膜元件和厚膜元件，均通过在陶瓷基片上喷铂粉或铂浆，并用激光切割方式实现R0。无论采用哪种方式，要提高铂热电阻允差的可能性相当小，AA级计算100℃下最高允差为±0.27℃。
影响铂热电阻测温精度的另一指标便是电阻温度系数α，当铂丝不纯或退火不充分或受外界应力影响，电阻温度系数α发生变化，进而造成巨大的测量误差。
温度变送器将在相应温度下铂热电阻的电阻值采集，并通过计算，输出与当前温度下相对于的电流模拟信号或HART、FF、PA等协议的数字信号。温度变送器能实现的最高精度为±0.1%︱T︱。
铂热电阻一体化温度计允差由铂热电阻允差与温度变送器允差组成，其允差为：
极端情况下：允差一体化=±(︱允差铂︱+︱允差温变︱) 通常情况下：允差一体化=±√[允差铂2+允差温变2]
在常规的应用中铂热电阻一体化温度计允差在100℃极端情况下达到±0.37℃，远未达到高精度应用场合的±0.05℃要求。
将铂热电阻一体化温度计的铂热电阻和温变视为一个整体，通过温变自身采集的铂热电阻阻值、标准温度等信息，在变送器内自动生成表征该热电阻具有的特定的电阻-温度曲线，排除温变、引线、元件及其他诸如漏电流等的影响，从而实现高精度测温。
1 理论模型的建立
1.1常规电阻-温度关系
从-200℃～0℃ 从0℃～850℃
通过线性规划求解，得到高精度表征系数J、K、L、M、N，式④代表该温变、该铂热电阻的新型电阻-温度关系函数。
2.模型的验证及结果分析
2.1数据的采集
在0℃～100℃恒温场中，将标准铂电阻与高精度铂热电阻一体化温度计传感器插入相同深度，任取5组温度进行数据的采集(尽量靠近需要的上限温度和下线温度)，采集时保证恒温时间达到10分钟以上。分度号Pt100，标准铂电阻温度℃与温变采集电阻值Ω对应数据如下：
式中 J=-246.0058735718 K=2.36999020337425
L=0.00085427187 M=0.00000047832925
Rt——温度为t时的电阻
在实际测温中，温度变送器检测到Rt时，通过式⑥高精度电阻--温度函数公式变换如下：
根据表1的验证数据判断，铂电阻高精度一体化温度计输出的温度最高误差<0.01℃，考虑到其他因素的影响将铂电阻高精度一体化温度计输出精度拟定为±0.05℃，该精度符合目前所有高精度应用场合。
3.结语
通过重塑特定铂热电阻温度-电阻函数曲线，可以有效避免因元件制造过程中R0的调校偏差、铂热电阻元件温度系数α等带来的精度问题，能将温度的输出精度达到很高的水平，整体的铂电阻高精度一体化温度计输出精度达到了±0.05℃，远远高出目前各高精度应用场合的要求。铂电阻高精度一体化温度计的实现过程中，有许多问题需要思考及解决，主要包括如下方面：
3.1元件的稳定性
可以通过降低R0值，增加线绕元件的铂丝丝径，使丝径达到0.035mm～0.05mm之间，元件的稳定性能相当的高。R0值可选择R0=50Ω～80Ω之间。
3.2热响应时间
热响应时间在测温中为重要的指标。在应用到温度剧烈变化的场合，当温度发生阶跃变化时，测出的温度将滞后从而产生测量误差。采用外绕式线绕元件可大大提高热响应时间，同时铂热电阻采用铠装结构形式来实现，热响应时间亦会相应提高。当必须采用外保护管时，在温度剧烈变化场合要优化结构以提高热响应时间。
3.3温度变送器环境温度影响
电子器件产品存在不等的环境温度影响，环境温度变化影响输出的变化从而产生测量误差，使测量精度下降或无法满足精度要求。优选电子器件及优良的设计可让环境温度影响大幅降低。
3.4温度变送器输出的影响
采用模拟量输出时，数模转换及模拟量的传输将产生误差，使用HART、FF、PA等数字通信能有效避免转换及传输误差。
3.5精度与电阻-温度函数的阶乘有关
在选择函数阶乘时，尽量采用一元三次方程，避免采用一元二次方程。数据采集时最少采集数量为：阶乘数+1的方式进行。
3.6自热影响及精度影响的其他方面
适当下调R0以及降低采集电流，可降低铂热电阻的功率，从而降低自热影响对整体高精度的影响，提高传感器的绝缘电阻或避免超长传感器的使用可降低漏电流，从而提测量高精度。
总之，这是一种解决基于铂热电阻高精度一体化温度计的方法之一，能有效提高测量精度，适合高精度测温的应用场合，可广泛应用于军事、工业及民用领域。
参考文献：
[1]误差理论与测量平差基础 第三版 武汉大学测绘学院测量平差学科组著 武汉大学出版社
[2]线性规划修订版胡富昌中国人民大学出版社
论文作者:谯兵
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/29
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