热敏电阻低温测量方法研究.pdf

2 0 1 0 年8 月 第3 0 卷第4 期 宇航计测技术 J o u r n a lo fA s t r o n a u t i cM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n t A u g ，2 0 1 0 V 0 1 3 0 ，N o 4 文章编号：1 0 0 0 7 2 0 2 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 2 5 0 7中图分类号：T H 8 1 1 热敏电阻低温测量方法研究 文献标识码：A 崔文德1李铁鹏1牛建永1王岗罡2 ( 1 北京航天计量测试技术研究所，北京1 0 0 0 7 6 ；2 中国人民解放军驻2 1 1 厂军代表室，北京1 0 0 0 7 6 ) 摘 要介绍了低温热敏电阻传感器低温标定的测量方法，分析了测量电路的引线绝缘电阻对热敏电阻传 感器测量结果的影响，阐述了几种测量方法的优缺点。 关键词热敏电阻器低温测量方法绝缘电阻 R e s e a r c ho nL o wT e m p e r a t u r eM e a s u r e m e n tM e t h o d s o ft h eT h e r m i s t o r C U IW e n d e l L IT i e p e n 9 1N I UJ i a n y o n 9 1W A N GG a n g g a n 9 2 ( 1 B e i j i n gA e r o s p a c eI n s t i t u t ef o rM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n tT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 7 6 ； 2 T h eC h i n e s eP e o p l e sL i b e r a t i o nA r m yC o m m i s s a r yR o o mi n2 11F a c t o r y ，B e i j i n g1 0 0 0 7 6 ) A b s t r a c tT h em e a s u r e m e n tm e t h o d so fl o wt e m p e r a t u r et h e r m i s t o ra r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ei n f l u - e n c eo fi n s u l a t i o n r e s i s t a n c eo ft h em e a s u r i n gs y s t e mo nt h em e a s u r e m e n tr e s u l ti sa n a l y z e d ，t h ec h a r a c - t e r i s t i eo ft h em e a s u r e m e n tm e t l l o d sa r ea l s oi n t r o d u e e d K e yw o r d s T h e r m i s t o rL o wt e m p e r a t u r eM e a s u r e m e n tm e t h o dI n s u l a t i o nr e s i s t a n c e 1 引言 温度传感器感温元件( 以下简称元件) 低温标 定是在低温恒温器中完成的，由于低温恒温器的结 构和超低温控温的需要，低温恒温器的测量引线一 般都较长，并且采用热锚预冷的绕线方式，因此引线 的漏电阻相对较大且对测量结果产生影响。本文将 研究探讨低温元件的多种测量方法以及低温恒温器 测量引线的漏电阻对元件测量值的影响情况。 2 温度传感器感温元件低温测量方法 元件在低温区进行温度标定或测量时，一般使 收稿日期：2 0 0 9 1 2 一1 2 作者简介：崔文德( 1 9 6 4 ) ，男，研究员，主要研究方向：低温计量技术。 用专用低温恒温器。低温恒温器的冷源有两种，7 8 K 以上温区使用液氮作冷源，4 2K 一8 0K 温区使 用液氦作冷源。低温恒温器芯子结构见图1 。低温 恒温器由于使用昂贵的液氦，并且液氦的潜热和汽 化热相对较小，因此为了减少冷源消耗，低温恒温器 体积设计的都较小，其有效使用空间也较小。传感 器的测量引线被绕制在低温恒温器芯子内，并且大 面积粘贴在金属表面上，使测量引线与低温恒温器 芯子间的绝缘电阻降低。这种结构是考虑到测量引 线漏热和绝缘电阻等因素，综合考虑后折中的结构 方案。低温恒温器芯子中测量引线端子一般有4 8 个，其中4 个端子用来测量标准套管铂电阻温度计， 剩下的4 4 个端子用来测量元件。一般情况下元件 测量有三种方式。 万方数据 2 6 宇航计测技术2 0 1 0 年 一直处于电流导遥状态。高准确度数字电压表分别 测量标准电阻和被测各元件两端电压。经计算得出 被测元件的电阻值。这种方法的优点是一次实验安 装元件数量多( 最多4 1 只) ，因此实验成本较低，缺 点是测量不确定度大。 元件l 元件2 1 一接线端子；2 一低温真空室；3 一热锚；4 一测量引线； 元件4 l 5 一标准温度计和被检温度元件；6 一恒温块。 图1 低温恒温器芯子结构图 2 1 第一种方式 低温恒温器芯子里最多安装1 1 只元件，采用四 线测量方式。用4 4 个端子将l1 只元件的测量引线 引出后，用恒流串联法测量。测量原理见图2 。温 控仪对低温恒温器芯子中的恒温铜块进行高准确度 控温。待恒温准确度达到控温要求后，开始测量元 件电阻。恒流源对标准电阻和元件串联电路提供恒 定直流电流。高准确度数字电压表分别测量标准电 阻和被测元件两端电压。经计算得出被测元件的电 阻值。这种方法的优点是测量不确定度小，缺点是 一次实验安装元件数量少( 最多1 1 只) ，因此实验 成本较高。 元件1 元件2 元件1 1 图2 第一种方法测量原理图 2 2 第二种方式 低温恒温器芯子里最多安装4 1 只元件，采用四 线测量方式。用4 4 个端子将4 1 只元件的测量引线 接点引出后，用恒流串联法测量。测量原理见图3 。 恒流源对标准电阻和元件串联电路提供恒定直流电 流。在这种测量方式下，标准电阻和所有被测元件 阻 图3 第二种方法测量原理图 2 3 第三种方式 低温恒温器芯子里最多安装4 1 只元件，采用 四线测量方式。用4 4 个端子将4 1 只元件的测量 引线接点引出后，用恒流串联法测量。测量原理见 图4 。 图4 第三种方法测量原理图 恒流源对标准电阻和被测元件提供恒定直流电 流。在这种测量方式下，标准电阻和一只被测元件 处于电流导通状态。高准确度数字电压表分别测量 标准电阻和被测元件两端电压。经计算得出被测元 件的电阻值。这种方法的优点也是一次实验安装元 件数量多( 最多4 1 只) ，因此实验成本较低，缺点也 是测量不确定度相对变大。 下面对以上所述三种测量方法分别进行定量分 析。 万方数据 第4 期热敏电阻低温测量方法研究 2 7 3 绝缘电阻对测量结果的影响 绝缘电阻对测量结果的影响可通过等效电路进 行定量分析。为便于研究，本文忽略热电势、数字电 压表输入阻抗等共性因数对测量结果的影响，专门 探讨低温恒温器芯子测量引线绝缘电阻对测量结果 的影响。 3 1 第一种方式 根据原理图2 ，在整个测量电路中，低温恒温器 芯子的测量引线，由于大面积与低温恒温器芯子金 属表面接触，绝缘电阻变小。对测量影响最大，其他 测量线路都基本处于浮地状态，可忽略。由于该方 式测量电路是单独将一被测元件通过四根独立的测 量引线接到测量回路中，因此测量电路的等效电路 碌 l 元惭6 I 6 R L ， L 飞 见图5 。图5 ( b ) 是图5 ( a ) 变换的等效电路图。从 等效电路图中可以判断，影响测量值的有绝缘电阻 月小月乜，月B ，尺从。测量影响量为 A R = R 肜( R + 月) 一尺 ( 1 ) 式中：R 绝缘电阻对测量结果的影响量；R 元件实际电阻值；R 。引线绝缘电阻平均值( 为便 于数据处理认为R n = R 岔= R L 3 = R = R L ) 。 在液氢温区和液氧温区各取一只热敏电阻元 件，选1 9K ，2 0 4K ，3 0K 和5 0K 作液氢温区热敏 电阻元件分析温度点，选7 7 4K ，8 0K ，9 5K 和1 1 0 K 作液氧温区热敏电阻元件分析温度点。经测量， 绝缘电阻基本在5 0 0M Q 左右，本文中吼按5 0 0 M Q 处理。根据式( 1 ) 计算出绝缘电阻对测量结果 的影响量，并列于表l 和表2 。 图5 第一种方法等效电路图 表l第一种方法元件测量结果偏差袭( A 3 型，7 3 3 # ) 温度点K 1 92 0 43 05 0 R k l l1 3 3 77 8 1 8 45 2 2 8 0 2 6 63 A R A T 一( k f l K 一) 一5 4 1 0 922 8 4 6 08 一1 1 4 410 0 2 75 R L M f l 5 0 05 0 05 0 05 0 0 啦0 k f t一0 0 3 570 0 1 22 2 0 0 0 00 5 4一O 0 0 00 0 01 4 1 形K O 0 0 070 o ( ) o4O 0 0 00 50 0 0 00 Q 5 表2 第一种方法元件测量结果偏差表( A 2 型。1 释) 温度点K 7 7 48 09 5 l l O R m 6 6 5 l 1 3 3 7 5 2 2 8O 2 6 63 A R A T 一( k f l K 。1 ) 一5 7 6 455 4 1 0 92 一1 1 4 4l一0 0 2 75 R L M f l 5 0 05 0 05 0 05 J V k nO 0 0 88 50 0 3 57一O 0 0 00 5 4 0 0 0 0 01 4 1 K O 0 0 l5O 0 0 070 0 0 0l0 0 0 00 万方数据 2 8 宇航计测技术 2 0 1 0 年 3 2 第二种方式 根据原理图3 ，在整个测量电路中，低温恒温器 芯子的测量引线，由于大面积与低温恒温器芯子金属 表面接触，绝缘电阻变小，对测量结果影响最大，其他 测量线路都基本处于浮地状态，其绝缘电阻可忽略。 由于该方式测量电路是将所有被测元件在恒温铜块 的接线柱上进行串接，然后对所有元件通恒定直流电 流，通过两根测量引线测量元件两端电压y ，通过测 量标准电阻两端电压求得通电电流，再用公式R = W I 求得元件电阻值。由于该测量方式中所有测量引 线的绝缘电阻都对通电电流，进行旁流，因此实际通 过被测元件的电流t 将小于通电电流，。并且在测量 最中间位置的元件时，这种影响最大。因此，测量电路 取测量最中间位置元件时的电路进行最坏情况分 析，等效电路见图6 ( 用4 4 个测量引线测量4 1 只元件 时，第2 1 只元件测量值偏差最大) 。从等效电路图中 可以判断，影响测量值的有R “一只。图7 是图6 的 变换等效电路图。为简化计算公式，设R ，一心。均等 于尺，测量彰响量可用式( 2 ) 表示为 R = W I W 厶 ( 2 ) 式中：尺绝缘电阻对测量结果的影响量； 弘- 2 1 # 元件两端电压值；厶2 l # 元件实际通过 的电流；，_ 标准电阻尺。实际通过的电流。 由于2 吃( 约10 0 0M Q ) 远大于元件电阻R ，可 以近似认为 U = 巩。一； K = 一3 = 3 V 1 ； 圪，= U l 一= 4 1y 1 。 式中：“一分别是接点1 4 1 的电势值。 图6第二种方法等效电路图 图7第二种方法变换等效电路图 万方数据 第4 期热敏电阻低温测量方法研究 2 9 因此得到 ，l = 4 1 ( 1 2 1 ) ； 1 2 = 3 9 ( ，2 。) ； ，2 0 = 3 ( 1 2 。) ； 1