热敏电阻元件低温校准方法研究.pdf

第3 9 卷第4 期 2 0 1 3 年8 月 火箭推进 J O U R N A LO FR O C K E TP R O P U L S I O N V 0 1 3 9 ，N o 4 A u g 2 0 1 3 热敏电阻元件低温校准方法研究 董雪，骆明强 ( 北京航天试验技术研究所，北京，1 0 0 0 7 4 ) 摘要：介绍了热敏电阻元件低温校准系统的校准原理及校准关键技术，以M F 5 6 0 2 型和 M F 5 6 0 4 型负温度系数热敏电阻元件为例，对校准系统和关键技术、校准方程以及数据拟合方 法进行了研究，提出了火箭发动机用热敏电阻元件在低温环境下的校准方法。 关键词：热敏电阻元件；低温校准；校准方法；数据拟合 中图分类号：V 4 4 3 4文献标识码：A文章编号：1 6 7 2 9 3 7 4 ( 2 0 13 ) 0 4 0 0 9 2 0 5 R e s e a r c ho nl o w t e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o n m e t h o do ft h e r m i s t o r s D O N GX u e ，L U OM i n g - q i a n g ( B e i j i n gI n s t i t u t eo f A e r o s p a c eT e s t i n gT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 7 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h ec a l i b r a t i o np r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g yo fl o wt e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o ns y s t e mf o r t h e r m i s t o r sa r ei n t r o d u c e d T a k i n gM F 5 6 0 2a n dM F 5 6 0 4t h e r m i s t o r sa se x a m p l e s ，t h e r m i s t o rc a l i b r a t i o ns y s t e m ，k e yt e c h n o l o g y ，c a l i b r a t i o ne q u a t i o na n dd a t af i t t i n gm e t h o dw e r es t u d i e d T h el o wt e r n p e r a t u r ec a l i b r a t i o nm e t h o do f t h e r m i s t o r sa p p l i e dt or o c k e te n g i n e si sp r o p o s e d I 弛y w o r d s ：t h e r m i s t o r ；l o wt e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o n ；c a l i b r a t i o nm e t h o d ；d a t af i t t i n g 0 引言 热敏电阻元件是以M n ，N i ，C u ，F e 及C o 等过渡金属氧化物在10 0 0 13 0 0o C 高温烧结而成 的尖晶石型半导体陶瓷。测温范围为2 0 5 0K 和 7 7 1 2 0K 的M F 5 6 0 2 型和M F 5 6 0 4 型负温度系数 热敏电阻元件( n e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ， N T C ) 具有测量温区合适、灵敏度高、准确度高、 稳定性好及自热误差小等优点，可用于火箭发动 机内低温推进剂温度测量1 2 J 。热敏电阻元件是火 箭发动机试验测温系统中的关键因素，其性能直 接关系到火箭发动机试验中温度测量的可靠性和 准确性。科学合理的校准方法可以减少热敏电阻 元件的温度偏差，从而提高以热敏电阻元件为基 础的热敏电阻温度传感器的精度。 收稿日期：2 0 1 3 0 3 2 2 ；修回日期：2 0 1 3 0 6 0 4 作者简介：董雪( 1 9 8 5 一) ，女，助理工程师，研究领域为温度计量、传感器研发 万方数据 第3 9 卷第4 期董雪，等：热敏电阻元件低温校准方法研究 9 3 1 校准系统与校准原理 1 1 校准系统及工作原理 热敏电阻元件低温校准系统由标准温度计、 低温恒温器、温度控制系统、温度测量系统和数 据采集系统及热敏电阻元件组成。校准系统原理 图如图l 所示。 图1热敏电阻元件低温校准系统原理图 F i g 1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fl o wt e m p e r a t u r e c a l i b r a t i o ns y s t e mf o rt h e r m i s t o r s 校准系统中由低温恒温器提供均匀稳定的温 度场，标准温度计作为标准器与被检热敏电阻元 件共同放置于低温恒温器中，温度控制系统控制 低温恒温器的温度，温度测量系统和数据采集系 统测量并采集校准点的温度( 力及在该温度下 热敏电阻的电阻值恹) ，数据处理软件计算热敏 电阻元件的温度一电阻特性方程，给出被检热敏 电阻元件R T 。d R d T 分度表。校准系统可用于在 2 0 1 2 0K 的温度范围内热敏电阻元件的校准，适 用于比较法校准( 检定) 。 1 2 关键技术 根据J J Fl1 7 0 2 0 0 7 颂温度系数低温电阻 温度计校准规范及Q s d2 0 2 0 0 8 ( 伙箭发动机 试验用热敏电阻元件校准规范要求，M F 5 6 0 2 和M F 5 6 0 4 型热敏元件应分别在2 0 5 0K ，7 7 1 2 0K 温度范围内进行分度。低温恒温器应可连 续变温，温度波动度小于等于5i n K 1 5m i n ，恒 温铜块最大温差小于5m K 。因此，在热敏电阻 元件低温校准系统中，低温恒温器的温度控制是 关键技术。 低温恒温器利用真空绝热低温比对原理，由 恒温铜块、分子泵真空机组、温控仪、低温广口 实验杜瓦及温度控制软件等组成。低温恒温器温 度控制原理如图2 所示。 图2 低温恒温器温度控制原理图 F i g 2T e m p e r a t u r ec o n t r o lp r i n c i p l eo fc r y o s t a t 低温广口实验杜瓦中的低温介质作为整个装 置的冷源，使装有恒温铜块( 铜块上装有被测热 敏电阻元件和标准温度计) 的真空小室置于低温 环境下。为实现在2 0 1 2 0K 范围内连续变温的 功能，须利用低压氦气作为热交换介质，且使低 温恒温器真空小室处于高真空的环境中，才能保 证恒温铜块的温度均匀性和稳定性，同时减少低 温介质损耗量。利用温控仪控制加热量从而控制 恒温铜块温度，当恒温铜块温度达到设定温度 时，通过数据采集系统采集到被检热敏电阻元件 与标准温度计的相关数据，从而实现对被检热敏 电阻元件的校准。在这种均温且绝热的设计下， 热敏电阻元件处于均匀的温场环境中，既能恒温 又能避免漏热，从而达到温场的稳定与均匀。本 校准系统中低温恒温器具体实现技术指标如下： 1 ) 温区范围为2 0 1 2 0K ，可实现连续变温； 万方数据 火箭推进2 0 1 3 年8 月 2 ) 1 5m i n 温度波动度小于4m K ； 3 ) 恒温铜块最大温差小于4m K 。 2 热敏电阻元件的校准方法 2 1 热敏电阻元件的自热效应 在低温温区，负温度系数热敏电阻元件的电 阻值增大，由热敏电阻自热效应引起的测量误差 相应增大。自热效应引起的测量误差可通过式 ( 1 ) 计算： n n 5 。= _ j 芝T 一 ( 1 )u H r，、， “I ( ，) 一1l d r 一 式中：s 。为自热效应引起的测量误差，m K ；，和 ，为测量电流，m A ；R 。和R ：为电流值为，和， 时的被测电阻值，k Q 。 根据J J F1 1 7 0 2 0 0 7 负温度系数低温电阻 温度计校准规藕及Q s d2 0 2 0 0 8 火箭发动机 试验用热敏电阻元件校准规藕勘要求，一般情况 下，热敏电阻元件的工作电流为1 1 0 斗A ，为 ，的1 5 倍或2 倍。在额定工作条件下，热敏电 阻元件允许的由自热效应引起的误差应小于 5m K 。 2 2 校准方程的选择 热敏电阻的温度特性存在严重的非线性，因 此，用在精密测温系统时，必须对它进行高精度 补偿。常用的N T C 热敏电阻非线性补偿方法有： 1 ) N T C 热敏电阻经验公式法，在较宽温度 范围测量应用时，测温误差较大且过程复杂； 2 ) 直接多项式拟合法，在宽温度范围应用 时，需拟合多个关系式，一旦温区超出，精度不能 保证，应用较为复杂； 3 ) 硬件电路补偿法，在一定的温度范围内能 得到较满意的补偿效果，但在宽温度范围使用时 存在电路复杂、可靠性和准确度低等不足； 4 1S t e i n h a r t H a r t 方程校正法，现今已被广 泛用于计算N T C 热敏电阻温度计，应用 S t e i n h a r t H a r t 方程能够提高N T C 热敏电阻温度 计的校准精度一I 。 H o g e 采用S t e i n h a r t H a r t 校准方程模拟了 N T C 电阻温度计电阻值和温度之间的关系，评估 的标准是均方根值和残差曲线，结果表明，随着 拟合校准方程阶数的增加，温度计的精度随之提 高圈。采用S t e i n h a r t H a r t 方程对热敏电阻元件的 R 一丁特性进行校正，利用最小二乘法对实测数据 进行四次方拟合计算，得出校准方程的系数，计 算出热敏电阻元件的温度计算值，进而给出热敏 电阻元件的分度表。采用的校准方程如下： 1 T = + a l I nR + a 2 ( I nR ) + a 3 ( I nR 2 ) 3 + n 4 ( 1 n 尺) 4 ( 2 ) 式中：a o ，a 1 ，呸，a 3 及a 4 为常数。 2 - 3 数据处理 令：y = 百l ，x = l n R 则 ) ，2 0 + 口lx + a 2 x + a 3 x + 0 4 菇 ( 3 ) 将r ，R 代人可得如下矩阵 0 1 吃 吼 ：障 令：拟合误差为Z ，z = Z 。Z ：Z 。Z 。 温度向量为Y ，y - y 。y 2 乃儿 7 系数向量为A ，A = a on l a 2a 3a 4 则 多项式矩阵D ，D = | 1 1 Z ；D A y 根据最小二乘原理，有： D t D A - - 9 Y 解方程即可求出方程系数。 M A T L A B 软件以矩阵计算为基础， ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 集成了数 万方数据 第3 9 卷第4 期董雪，等：热敏电阻元件低温校准方法研究 9 5 值计算、数学分析、可视化和编程等功能，在数 据曲线拟合上具有很强的功能，可以直观地体现 出数据的规律性 6 1 ，运用M A T L A B 工具箱的p o l y f i t ( 尺，T ，n ) 对热敏电阻元件的尺一丁特性进行最 小二乘法四次方拟合运算，可便捷得出校准方程 的系数，最终计算出热敏电阻元件的温度计算值 ( 础和偏差( d ) 。 3 试验验证 分别用M F 5 6 0 2 型和M F 5 6 0 4 型热敏电阻元 件进行了低温校准试验，验证热敏电阻元件低温 系统及校准方法。 3 1 自热效应 试验中，选取电流，为5 斗A ，电流，2 为 1 0 A ，测得数据如下所示。 M F 5 6 0 2 型热敏电阻： R l =