王革輝 張偉

摘 要： 采用虛擬儀器、電熱恒溫水槽和水銀溫度計對用于平板式織物熱阻儀的4個Pt100鉑電阻溫度傳感器的測溫正確性和穩(wěn)定性進行了檢驗。發(fā)現(xiàn)Pt100鉑電阻溫度傳感器的測量結(jié)果與水銀溫度計的測量結(jié)果之間存在系統(tǒng)差異，不同的Pt100鉑電阻溫度傳感器的測量結(jié)果之間也存在較大的系統(tǒng)差異，但4個Pt100鉑電阻溫度傳感器的測量穩(wěn)定性都良好。通過一定的校正，4個Pt100鉑電阻溫度傳感器的測量結(jié)果與水銀溫度計的測量結(jié)果之間的系統(tǒng)差異很小。

關(guān)鍵詞： Pt100鉑電阻溫度傳感器；溫度測量；LabVIEW

中圖分類號：TS103.6 文獻標識碼：B 文章編號：1674-2346（2016）03-

1 前言

服裝隔熱性對冬季服裝而言非常重要，而服裝隔熱性很大程度上取決于服裝材料的隔熱性。因此，對服裝材料隔熱性的研究一直受到人們關(guān)注。多數(shù)研究中，服裝材料隔熱性能的測試一般采用平板式織物熱阻測試儀，服裝材料隔熱性能的主要評價指標是熱阻。[1-6]

已有多名研究者對平板式織物熱阻測試儀的改進做了研究[7-8]，改進的著眼點主要是針對該類儀器測量的準確性和穩(wěn)定性，但都沒有涉及該類儀器的測試效率問題。而實際應(yīng)用中，國產(chǎn)的平板式織物熱阻測試儀測試耗時很長，測試效率低。王革輝等人[9]比較了美國MTNW公司生產(chǎn)的SGHP熱濕阻測試儀和國產(chǎn)的YG606E型紡織品熱（濕）阻測試儀測試織物隔熱性能的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)2種儀器的測量結(jié)果之間沒有系統(tǒng)差異，而且測試穩(wěn)定性都比較好，但2種儀器在測試效率上有很大差異，測試厚型織物時，測試1塊試樣，YG606E平均耗時約80分鐘，而SGHP平均耗時僅約17分鐘。因此，有必要對現(xiàn)有國產(chǎn)的平板式織物熱阻測試儀進行進一步的改進以提高測試效率。

平板式織物熱阻測試儀在測量織物熱阻時使用的計算公式如下：

錯誤！未找到引用源。 （1）

其中R為織物的熱阻，℃·m2/W；A為實驗板的面積，m2；Ta為環(huán)境溫度，℃；Ts為實驗板的溫度，℃；Q為儀器的加熱功率，W。其中Ts是影響測試結(jié)果的一個重要參數(shù)，平板式織物熱阻測試儀中對該參數(shù)的測量一般采用PT100鉑電阻溫度傳感器[7-8]，但沒有研究者對所用的PT100鉑電阻溫度傳感器的測量正確性和穩(wěn)定性進行實際驗證。本文正是基于此，設(shè)計了實驗，來檢驗將要用于平板式織物熱阻測試儀的4個PT100鉑電阻溫度傳感器的測溫性能并進行校正。

2 基于虛擬儀器的溫度傳感器的校正

對溫度傳感器的校正首先要實現(xiàn)對溫度的采集和顯示，基于虛擬儀器溫度傳感器校正的實驗原理為：將溫度傳感器感應(yīng)部位置入電熱恒溫水槽中，將公認準確度較高、精度為0.1℃的水銀溫度計緊貼傳感器置入水槽中的同一測試區(qū)域，使溫度傳感器和水銀溫度計的測溫水域相同，以水銀溫度計顯示的溫度作為設(shè)定溫度。利用電熱恒溫調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)水槽中水的溫度，使水溫分別達到水銀溫度計顯示的34.0℃、34.5℃、35.0℃、35.5℃、36.0℃，利用PT100鉑電阻溫度傳感器進行同步測量，每個溫度在不同的時間段共實驗10次；溫度傳感器的接線端與信號調(diào)理器相連，信號調(diào)理器與計算機相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從溫度傳感器傳輸進入計算機；使用LabVIEW進行編程，使溫度信號以可識別的數(shù)字信號在計算機上顯示；根據(jù)水銀溫度計的讀數(shù)與溫度傳感器顯示溫度的差值，實現(xiàn)對鉑電阻溫度傳感器的校正。

2.1 硬件組成

實驗過程中采用NI公司的NIcDAQ-9172USB機箱。NIcDAQ-9172USB機箱是一個堅固耐用的便攜式數(shù)據(jù)采集平臺，它將連接和信號調(diào)理功能與模塊化I/O相集成，可直接連接任何傳感器或信號。NIcDAQ-9172 USB機箱是一款8槽NI CompactDAQ USB機箱，適用于構(gòu)建自定義模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O和計數(shù)器/定時器測量系統(tǒng)，在USB機箱中需插入數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。選用NI 9217作為模擬輸入模塊，該模塊的采樣率為400 S/s，24位分辨率，最多支持4個RTD（Resistance Temperature Detector，電阻式溫度檢測器）模擬輸入。

2.2 LabVIEW軟件

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）即實驗室虛擬儀器集成環(huán)境，是由NI公司開發(fā)的一種虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但不同的是C和BASIC的計算機語言為文本語言，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式[10]。

由LabVIEW創(chuàng)建的程序稱為vi，

每個vi都包含2個部分，前面板和

程序框圖[11]。圖1為溫度采集的前面板設(shè)計圖，圖2為溫度采集的程序框圖。

如圖1所示，前面板主要包括4個溫度顯示控件（用于顯示各個溫度傳感器的溫度），1個溫度測量通道（用于設(shè)定溫度測量的輸入通道），4個輸出路徑（用于設(shè)定各個溫度傳感器的輸出路徑），4個開關(guān)控件和1個Excel表格，開關(guān)控件用于控制數(shù)據(jù)采集的開始與結(jié)束，通過設(shè)置保存路徑可將溫度傳感器采集到的溫度保存到相應(yīng)的Excel表格中。圖2為主要的程序框圖，其中包括創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)、采樣時鐘和索引數(shù)組等。創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)一般放在程序的最前面，用于程序的創(chuàng)建；采樣時鐘用于設(shè)定采樣的時間間隔，自編程序設(shè)定為每隔5000毫秒采集1次數(shù)據(jù)；連線數(shù)組到索引數(shù)組時，函數(shù)可自動調(diào)整大小，在n維數(shù)組中顯示各個維度的索引輸入。實驗需要對4個相同型號的鉑電阻溫度傳感器進行校正，分別編號為1～4號溫度傳感器，通過創(chuàng)建索引數(shù)組函數(shù)將4個溫度傳感器的測量值同時顯示在指定的位置。

3 實驗結(jié)果

4個PT100鉑電阻溫度傳感器對每一設(shè)定溫度的測量結(jié)果如表1所示。

3.1 討論與分析

對實驗數(shù)據(jù)進行分析，計算4個PT100鉑電阻溫度傳感器在每一設(shè)定溫度下各自溫度測量結(jié)果的均值、CV值和均值與設(shè)定溫度的差值，計算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，4個PT100鉑電阻溫度傳感器在上述幾個設(shè)定溫度測量中的CV值均小于0.4%，說明其測溫穩(wěn)定性良好。表2還顯示，在上述幾個溫度測量中，4個PT100鉑電阻溫度傳感器測得的溫度值都高于設(shè)定溫度，最大的相差0.89℃，最小的相差0.36℃。

對每個溫度傳感器的測量值與設(shè)定溫度的差值的平均值進行總結(jié)，如表3所示。

由表3可知，PT100鉑電阻溫度傳感器在同一設(shè)定溫度下的測量值不同，其中1號溫度傳感器的測量值與設(shè)定溫度平均相差0.70℃，2號溫度傳感器的測量值與設(shè)定溫度平均相差0.44℃，3號溫度傳感器的測量值與設(shè)定溫度平均相差0.86℃，4號溫度傳感器的測量值與設(shè)定溫度平均相差0.76℃?？梢?號溫度傳感器的測量值與設(shè)定溫度相差最小，3號溫度傳感器與設(shè)定溫度相差最大。其中3號溫度傳感器在測量34.5℃和35.0℃水溫時的測量值與設(shè)定溫度相差0.89℃，為最大，2號溫度傳感器在測量36.0℃水溫時的測量值與設(shè)定溫度相差0.36℃，為最小。

假設(shè)織物熱阻測試時，Ts設(shè)定為35℃，Ta為20℃，Ta和其他參數(shù)都測量準確。當熱板溫度Ts的測量結(jié)果偏差0.89℃時，根據(jù)公式（1）可以推算得出所測得的織物熱阻值與“準確測量的織物熱阻值”的相對偏差為5.93%。

由表3可知1～4號溫度傳感器的測量值與設(shè)定溫度相差的平均值分別為0.70℃、0.44℃、0.86℃、0.76℃，將各溫度傳感器的測量值與設(shè)定溫度相差的均值分別作代數(shù)計算作為各溫度傳感器的校正公式，4個溫度傳感器的校正公式總結(jié)如表4所示。

其中Y1、Y2、Y3、Y4、分別為4個溫度傳感器的校正值，x1、x2、x3、x4分別為4個溫度傳感器的測量值。

3.2 驗證實驗

選取34.6℃、34.7℃、34.8℃、34.9℃、35.1℃、35.2℃、35.3℃、35.4℃作為驗證溫度，分別將水溫調(diào)至以上溫度后使用各溫度傳感器進行測量，并使用校正公式計算校正結(jié)果，其中測量結(jié)果如表5所示，校正結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出經(jīng)校正后溫度傳感器的測量值與設(shè)定溫度相差最大值為-0.06℃，最小為0℃，所以經(jīng)校正后的溫度傳感器測量值與設(shè)定溫度的系統(tǒng)性差異很小，測量的準確度大大提高，因此可使熱阻測試的準確度得以提高。

4 結(jié)論

通過上述實驗和分析，得到以下結(jié)論：

1）PT100鉑電阻溫度傳感器的測量值與水銀溫度計的測量值存在差異，在試驗中溫度傳感器測量值的平均值與水銀溫度計的測量值最大相差0.89℃，最小相差0.36℃。

2）相同型號的不同溫度傳感器的測量值也不同，試驗中與水銀溫度計相差最小的是2號溫度傳感器，其測量均值與水銀溫度計的測量值平均相差0.44℃。與水銀溫度計相差最大的是3號溫度傳感器，其測量均值與水銀溫度計的測量值平均相差0.86℃。

3）PT100鉑電阻溫度傳感器的測溫穩(wěn)定性較好，4個溫度傳感器的測量值的CV值均小于0.4%。

4）經(jīng)校正后的溫度傳感器測量值與設(shè)定溫度的系統(tǒng)性差異很小，測量的準確度大大提高，可使熱阻測試的準確度得以提高。

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The Correction of Pt100 Platinum Resistance Temperature Sensor used on Fabric Thermal Resistance Meter

WANG Ge-hui ZHANG Wei

（Fashion & Art Design College， Donghua University， Shanghai 200051，China）

Abstract： By using virtual instrument， electro-thermostatic water cabinet and mercury thermometer， the accuracy and stability of temperature measurement of 4 Pt100 platinum resistance temperature sensors have been tested. It is found that there are systematic differences between the results obtained from the 4 Pt100 platinum resistance temperature sensors and the mercury thermometer， and between the results obtained from the different platinum resistance temperature sensors. However， the stability of temperature measurement of the 4 Pt100 platinum resistance temperature sensors is good. After certain correction， the systematic differences between the results obtained from the 4 Pt100 platinum resistance temperature sensors and the mercury thermometer have become very small.

Key words： Pt100 platinum resistance temperature sensor； temperature measurement； LabVIEW

（責任編輯 竺小恩）