李曉仲，周建軍

(天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 天津 300192)

溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)研究、環(huán)境測(cè)量等領(lǐng)域最普遍、最重要的物理量之一。物體的許多物理現(xiàn)象和物質(zhì)的化學(xué)性能都與溫度參數(shù)有關(guān)，物質(zhì)的反應(yīng)過程和產(chǎn)品生產(chǎn)過程等都是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以在社會(huì)生產(chǎn)生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，經(jīng)常會(huì)遇到溫度和溫度測(cè)量問題。而溫度是不能直接加以測(cè)量的，只能借助于冷熱不同的物體之間熱交換以及物體的某些物理性質(zhì)隨溫度變化而變化的特性加以間接測(cè)量。

熱電阻溫度傳感器是溫度測(cè)量中使用最廣泛的感溫儀表。我國(guó)過去一直沿用“68溫標(biāo)”的熱電阻分度表進(jìn)行計(jì)量，其分度數(shù)值與當(dāng)前國(guó)際溫標(biāo)熱電阻分度表有很大差值，同時(shí)許多國(guó)家都已經(jīng)采用了新的熱電阻分度表值。為了加快科技進(jìn)步和技術(shù)交流，促進(jìn)機(jī)電產(chǎn)品的出口，引進(jìn)設(shè)備配套，提高測(cè)量溫度技術(shù)水平，我們也要按照國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、計(jì)量檢測(cè)等工作。很顯然，熱電阻新分度值的應(yīng)用，舊分度值熱電阻的淘汰與目前在用的尚未改值的自動(dòng)平衡記錄儀表(以下簡(jiǎn)稱“儀表”)不配套的矛盾日益突出，溫度計(jì)量檢測(cè)中會(huì)產(chǎn)生溫度示值從幾攝氏度到幾十?dāng)z氏度的誤差，也將會(huì)對(duì)溫度介質(zhì)中試驗(yàn)的產(chǎn)品質(zhì)量造成很大影響，甚至使產(chǎn)品報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這在計(jì)量工作中是絕對(duì)不能允許的。

如何做好儀表的改值，本文通過對(duì)儀表工作原理和工作過程的分析，設(shè)計(jì)了改值方法，經(jīng)過對(duì)改值后儀表計(jì)量檢定，各計(jì)量參數(shù)均符合相應(yīng)計(jì)量技術(shù)規(guī)范要求。

1 儀表的工作原理和工作過程

與熱電阻溫度傳感器配合使用的儀表一般稱為電子自動(dòng)平衡電橋，主要組成部分由圖1所示。

圖1 電子自動(dòng)平衡電橋構(gòu)成框圖Fig.1 Block diagram of an electronic auto-balanced bridge

電子自動(dòng)平衡電橋的測(cè)量電路利用平衡電橋的基本原理工作，用放大電路代替測(cè)量電路中的檢流計(jì)，將電路輸出的不平衡電壓放大并使內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)，改變儀表中比較臂電阻的滑動(dòng)觸點(diǎn)位置，使平衡電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，根據(jù)滑觸點(diǎn)的位置，顯示相對(duì)應(yīng)被測(cè)對(duì)象的溫度參數(shù)。當(dāng)熱電阻溫度傳感器所處環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí)，其電阻參數(shù)也發(fā)生變化，重復(fù)上述過程，儀表能夠達(dá)到新的平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)自動(dòng)顯示被測(cè)溫度參數(shù)。為了便于分析，我們先討論簡(jiǎn)單的測(cè)量橋路。

1.1 電子自動(dòng)平衡電橋測(cè)量電路的基本原理

圖2 具有檢流計(jì)的測(cè)量橋路Fig.2 Measuring bridge circuit with a galvanometer

圖 2是一個(gè)具有連接檢流計(jì)形式的典型的電子自動(dòng)平衡電橋測(cè)量橋路，熱電阻 Rt為其中的一個(gè)橋臂，為了減少連接導(dǎo)線電阻值因環(huán)境溫度變化而引起的測(cè)量誤差，它與橋路采用三線制接法。為使測(cè)量電路調(diào)整方便，在橋路橋臂中串接了滑線電阻 r，改變滑線電阻r中滑觸點(diǎn)A的位置即可以改變與滑觸點(diǎn)A相鄰的兩臂電阻值r1、r2。

當(dāng)溫度傳感器處在下限溫度時(shí)，滑觸點(diǎn) A處于滑線電阻的最右端，測(cè)量電路處于平衡狀態(tài)，以下公式成立：

當(dāng)溫度傳感器處在上限溫度時(shí)，滑觸點(diǎn) A處于滑線電阻的最左端，測(cè)量電路處于平衡狀態(tài)，以下公式成立：

因此在所測(cè)量的上下限溫度范圍內(nèi)，當(dāng)測(cè)量電路達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，熱電阻 Rt的電阻值便有一個(gè)與其相對(duì)應(yīng)的滑觸點(diǎn) A的位置并標(biāo)以溫度值，這樣就可以指示出對(duì)應(yīng)于Rt值時(shí)的溫度值。

上面所介紹的測(cè)量電路中若檢流計(jì)的功能用放大電路代替，滑動(dòng)電阻中的滑觸點(diǎn) A的位置移動(dòng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過一系列機(jī)械齒輪而改變，成為電子自動(dòng)平衡電橋的主要組成部分。

1.2 改值原理和橋路計(jì)算

使用二種分度號(hào)熱電阻的溫度傳感器，電子自動(dòng)平衡電橋在測(cè)量范圍內(nèi)微分值存在差值，因此就有指示誤差。如配接 G分度號(hào)銅熱電阻的橋路改為配接Cu,50新分度號(hào)的銅熱電阻，則測(cè)量點(diǎn) 0,℃時(shí)指示值偏低約 13.4,℃，測(cè)量點(diǎn) 150,℃時(shí)則指示值偏低約21.7,℃。對(duì)配以鉑熱電阻分度值 BA2的電子自動(dòng)平衡電橋改為配接分度值Pt,100鉑熱電阻時(shí)，0,℃處沒有誤差，在 500,℃時(shí)指示值將會(huì)偏低 7.3,℃；如果鉑熱電阻分度值 BA1配接的電子自動(dòng)平衡電橋，配接鉑熱電阻分度值 Pt,100時(shí)，則新、舊分度號(hào)分度值、微分值的不同使得溫度測(cè)量誤差更大。因此必須對(duì)測(cè)量電路及附屬機(jī)構(gòu)進(jìn)行改值和重新設(shè)計(jì)，保證計(jì)量參數(shù)正確和準(zhǔn)確度等級(jí)符合計(jì)量技術(shù)規(guī)范要求。

由于考慮到橋路滑線電阻不工作區(qū)域以及電橋參數(shù)的調(diào)整，測(cè)量橋路見圖3所示：

圖3 測(cè)量橋路圖Fig.3 Diagram of bridge circuit measuring

Rt：熱電阻的電阻值(Ω)；

ΔRtm＝Rt1－Rt0：相當(dāng)于整個(gè)儀表刻度范圍內(nèi)熱電阻的電阻變化值；

Rt1、Rt0：表示相應(yīng)于儀表標(biāo)尺下限和上限時(shí)熱電阻的電阻值；

E：橋路電源電壓(V)；

Itm：流過熱電阻工作電流的重大值；

R2、R3、R4：橋路穩(wěn)定時(shí)固定電阻值；

R5：調(diào)整儀表量程的電阻；

R6：調(diào)整儀表下限刻度的電阻；

Rp：測(cè)量橋路的滑線電阻；

RB：將滑線電阻并聯(lián)成標(biāo)準(zhǔn)電阻值90,Ω的電阻；

R7：用作交流電橋時(shí)的限流電阻(Ω)(直流電橋時(shí) R7＝0)；

Rnp：電阻Rp、RB與R5 3個(gè)電阻值并聯(lián)后的等效電阻(Ω)；

λ：滑線電阻每端不工作部分電阻和整個(gè)滑線電阻之比值(一般λ 值為 0.03～0.05)；

R1：連接導(dǎo)線的等值電阻，R1＝2.5,Ω。

1.2.1 橋路計(jì)算應(yīng)注意的幾個(gè)要點(diǎn)：

① 工作狀態(tài)時(shí)保證流過熱電阻的電流不超過6,mA的允許值；

② 取R3＝R4，這樣可以使連接導(dǎo)線的附加誤差忽略不計(jì)；

1.2.2 R2＝R3＝R4測(cè)量橋路計(jì)算公式

1.2.3 R3＝R4測(cè)量橋路計(jì)算公式

①小量程取i＜1；②大量程取i≥2。

公式：

如果按照公式(1-6)計(jì)算得到的R3值為小數(shù)，為了加工制作方便及保證儀表靈敏度我們可以將其取為整數(shù)，根據(jù)R3的數(shù)值再依據(jù)公式(1-6)重新計(jì)算其他值。

2 電子自動(dòng)平衡電橋測(cè)量橋路改值計(jì)算實(shí)例及分析

根據(jù)上述儀表工作原理、過程和測(cè)量電路的計(jì)算方法，我們有一臺(tái)配溫度傳感器分度號(hào)為 BA1，現(xiàn)在要改為配溫度傳感器分度號(hào) Pt,100、測(cè)量范圍為(0～500)℃保持不變的自動(dòng)平衡電橋進(jìn)行改值計(jì)算和分析。

首先查詢溫度計(jì)量分度表得知，原下限電阻值Rtmin＝46.00,Ω，上限電阻值 Rtmax＝130.55,Ω，測(cè)量范圍相應(yīng)的電阻量程△Rt＝84.55,Ω(屬于△Rtm為10～100,Ω范圍)，可以選擇 R2＝R3＝R4的計(jì)算方法，Ito＝3.0,mA，λ＝0.03。

依據(jù)前述計(jì)算方法：

將此值定為165,Ω。

再次查詢溫度計(jì)量分度表，現(xiàn)量程條件下，下限電阻值 Rto＝100.00,Ω，上限電阻值 Rti＝280.90,Ω，△Rti＝180.90,Ω＞100,Ω屬于大量程的測(cè)量范圍，故我們選取 R3＝R4＝80.00,Ω，R2＝250.00,Ω，則：

通過以上計(jì)算可知，電子自動(dòng)平衡電橋已經(jīng)完成了測(cè)量橋路改值計(jì)算，將改變 R3和 R4的電阻值由165,Ω調(diào)整為 80,Ω，R2的電阻值由 165,Ω調(diào)整為250,Ω，R5的電阻值由原值調(diào)整為95.367,Ω，R6的電阻值由原值調(diào)整為 97.924,Ω即可。在以上的計(jì)算過程中，要保證計(jì)算值的準(zhǔn)確，在選擇加工阻值原材料時(shí)應(yīng)該注意選擇溫度系數(shù)小、保證能夠正常通過電流的材料，以減少測(cè)量過程中的附加誤差。

3 電子自動(dòng)平衡電橋改值后計(jì)量性能的測(cè)試

我們對(duì)上述電子自動(dòng)平衡電橋進(jìn)行改值后計(jì)量參數(shù)測(cè)試。量程為(0～500)℃，準(zhǔn)確度等級(jí)為 0.5級(jí)，原配傳感器分度號(hào)是 BA1，現(xiàn)改變傳感器分度號(hào)為 Pt,100，指示采用新分度號(hào)表盤，其他計(jì)量參數(shù)及主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)無改變。

依據(jù)《工業(yè)過程測(cè)量記錄儀》國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程技術(shù)要求，我們采用標(biāo)準(zhǔn)儀器“旋轉(zhuǎn)式直流電阻箱”(最小分度值為0.01,Ω)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在被檢刻度線下限(0,℃)出現(xiàn)最大指示誤差為－0.41,Ω，在被檢刻度線(400,℃)出現(xiàn)最大回程誤差 0.08,Ω，行程時(shí)間 4,s，阻尼特性符合二次“半周期”。其他各項(xiàng)指標(biāo)也均符合計(jì)量檢定規(guī)程技術(shù)要求，在此不一一列舉。通電大約 4,h后重新進(jìn)行試驗(yàn)，所測(cè)數(shù)據(jù)無變化，其他技術(shù)要求也符合計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定。至此，完成了對(duì)電子自動(dòng)平衡電橋的改值工作。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)電子自動(dòng)平衡電橋工作原理和測(cè)量電路的分析，研究了當(dāng)配接不同分度值時(shí)熱電阻溫度傳感器電路的具體計(jì)算和改值方法，這樣就可以通過部分元器件的調(diào)整，使此類儀表滿足符合國(guó)際溫標(biāo)的溫度傳感器。本文的論述對(duì)所有在用儀表配接新型溫度傳感器時(shí)的改值及操作方法具有一定指導(dǎo)意義。

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