随着科学技术的进步和制作工艺的提高，工业生产对测温精度要求越来越高，精密数字温度计越来越多的应用于工业、农业、生活等领域，而大量温度计的检定工作成为了新的问题。常见的温度计检定需要标准铂电阻温度计作为标准器，但是当前标准铂电阻温度计存在价格昂贵、结构复杂等问题，难以在实际生产中普及。为此，设计一种结构简单、价格适中的高精度温度计检定用标准器，对我国制造业发展具有非常重要的意义。
近几年，国内外研究学者和机构对铂电阻数字温度进行了大量的研究。美国Fluke公司生产的1551A棒式温度计体积小巧、携带方便，同样由其生产的Fluke 51-Ⅱ单通道便携式温度计测温精度可达0.3℃，不仅具备超宽的测温量程，而且还配备多种温度探头；美国芝测生产的PRTXD-4温度计测温范围覆盖-50℃～200℃，测温精度可达0.1℃，整机重量仅450g，方便携带，可应用于多种场所；马丽萍基于FPGA技术研发了一套多通道热电阻测温系统，解决了一般可编程逻辑件门电路和逻辑资源紧张的问题，并减少了引线对测量结果的影响。但目前有关于铂电阻的研究大多采用分体式结构，该结构的各项性能仅能满足工业生产中的测量需求，难以满足作为标准器的使用要求。基于此，本文设计了一种一体式精密数字温度计，其测温精度达到±0.05℃，稳定性远超普通工业温度计，满足精密测温需求，可以作为常见工业温度计检定用标准器。
1、精密数字温度计工作原理与结构设计
1.1 工作原理
Pt100铂电阻凭借其精度高、响应快的优点被广泛应用于高精度测量领域。精密数字温度计测温利用铂电阻优异的阻温特性曲线，即铂电阻在不同温度下会表现出特定的电阻值的特点，通过AD转换器将采集到的模拟信号转换为可被单片机识别的数字信号后传送给单片机，单片机使用内嵌公式将接收到的数字信号转换为当前铂电阻的电阻值，随后利用内嵌的精密数字温度计分度公式确定被测物体的温度并将温度显示在屏幕上。铂电阻阻值与温度的关系如式1、式2所示：
在-200℃～0℃范围内：
在0～850℃范围内：
1.2 主要硬件设计
精密数字温度计由十分之一B级精度四线制Pt00铂电阻传感器、传感器接头、恒流源、AD转换器、处理器、按键及屏幕等部分组成，外形如图1所示。精密数字温度计设计为一体式结构，铂电阻传感器直接焊接在PCB板上，提高了温度计测温精度和使用安全性。
图1 精密数字温度计外形
1.2.1 铂电阻传感器设计选型根据
在0℃时的电阻值不同可以将铂电阻传感器分为Pt10、Pt25、Pt100、Pt1000等分度，如：若铂电阻在0℃时电阻值为10Ω则其分度为Pt10。Pt10分度的铂电阻传感器测温范围为-200℃～850℃，因其铂电阻丝直径较大，耐温性能较好，常被应用于660℃以上的温度测量任务中。Pt100铂电阻传感器中的铂电阻丝的直径仅为Pt10的1/10，因此其对温度变化表现的更为敏感，这就降低了对二次仪表的精度要求，低于660℃的温度测量任务常使用Pt100作为温度传感器。根据设计要求，本文选择Pt100作为温度计传感器。
1.2.2 精密数字温度计屏幕、按键设计
按键和屏幕是人机交互的重要组成部分。考虑到单片机的引脚资源分配问题，精密数字温度计选用矩阵式键盘，使用8255芯片将单片机单个串行I/O口扩展为四个并行I/O口，精密数字温度计屏幕选用LCD显示器以方便用户更直观的了解精密温度计的当前状态。精密数字温度计按键、显示模块位置分布。
1.3 精密数字温度计主要电路设计
本文将铂电阻四线式接线电路、零温漂恒流源电路和比例测温电路应用于精密数字温度计，使精密数字温度计的测温精度达到±0.05℃，满足精密测温需求。精密数字温度计系统结构图如图2所示。
图2 精密数字温度计电测硬件电路结构图
1.3.1 传感器四线式接法设计
对于测量精度要求较高的温度测量仪表，通常采用四线式接线法。四线式接线法是将铂电阻两端分别接入四根引线，其中两根作为电源线，另外两根作为信号线。这种接线方式虽然引线较多，但没有电桥存在，因此引线电阻产生的误差只与信号线电阻有关，通过校准可以完全消除引线电阻对测量结果的影响。铂电阻四线式接线如图3(a)所示。
图3 电阻四线制接线电路与恒流源电路图
恒流源输出电流为：
公式3：
其中：
公式4：
公式5：
对公式3两边关于温度求导可得：
公式6：
通过查阅相关技术手册可知：
公式7：
公式8：
带入公式6并使等式两边为0得：
公式7：
式中VR2为二极管电阻随温度的变化速率。
综上所述，当R1与R2的电阻值满足上式时即可消除温度变化对恒流源的影响。
1.3.3 基于比例法的测温电路
为避免温度变化造成器件漂移而引入的测量误差，温度计采用比例电阻测量电路。将铂电阻传感器Rpt和参考电阻Ref与精密恒流源串联，再由两个电阻两端引出两根信号线，接到ADS122X的两路差分输入通道上(如图2)，这样就可以测得恒流源电流流过两电阻时产生的压降URpt和URef：
公式8：
公式9：
经过ADS122X内部放大、滤波、模数转换后得到的电压值分别为：
和
，式中G为ADS122X内部增益倍数，可通过程序选择倍数大小；G×UAD＿Rpt为URpt经模数转换后对应的电压值；G×UAD＿Ref为URef经模数转换后对应的电压值；△U0为ADS1248内部零点漂移误差，可通过校准消除。
由比例关系可得：
公式10：
由式10可得：
公式11：
由式8可知，比例电阻测温法可以消除ADS122X内部增益带来的误差，并且可以消除恒流源受环境影响带来的误差，使得最终测得的铂电阻值准确度只与参考电阻准确度和AD转换器模数转换精度有关。
2、精密铂电阻稳定性试验研究
铂电阻的稳定性是指温度计的计量特性保持恒定、不随时间变化的能力，是衡量铂电阻计量性能的重要指标。目前常用验证铂电阻稳定性的方法有JJG229-2010《工业铂、铜热电阻》中验证铂电阻长期稳定性的方法和冷热冲击试验，本研究基于以上两种方法进行大量相关试验，充分验证精密铂电阻的稳定性。
2.1 长期稳定性试验
为验证一体式精密数字温度计的长期稳定性，任选六只温度计，将精密数字温度计依次插入制备好的水三相点瓶，待精密数字温度计示数稳定后循环读数两次，由于水三相点温度为0.01℃，因此需要将测量结果减去0.01℃，得到温度计在0℃点的实际测量温度；之后对精密数字温度计进行300℃连续672h退火，对退火后的精密数字温度计再次进行0℃检定，上述试验步骤重复进行五次。试验数据如图4所示。
图4 精密数字温度计退火前后示值误差变化趋势折线图
由试验数据可以看出，多次退火后，精密数字温度计误差范围不超过±0.05℃，相邻两次退火误差变化范围不超过±0.015℃，精密数字温度计年稳定性约为0.03℃，复现性约为0.015℃，满足精密测温需求。
2.2 温度冲击试验
为尽可能模拟精密数字温度计可能存在的工作情况，针对本精密数字温度计设计了高低温循环老化试验，测试温度计在极限工况下的稳定性。任选6支精密数字温度计，依次插入热管恒温槽进行温度计上限温度老化6h，结束后将精密数字温度计依次插入制冷恒温槽进行下限温度老化3h，结束后将精密数字温度计再次插入热管恒温槽进行3h上限温度老化。上述试验每天进行1次，每5d为一个试验周期，共进行12个周期，每个周期结束后用水三相点瓶对精密数字温度计进行0℃检定。试验数据如图5所示。
图5 冷热冲击试验中精密数字温度计示值误差变化趋势折线图
由试验数据可以看出，在冷热冲击试验下的精密铂电阻温度计在0℃的示值误差大多在±0.05℃以内，年稳定性约为0.1℃，复现性约为0.05℃，满足精密测温需求，可替代标准铂电阻温度计作为常见工业温度计检定用标准器。
3、不确定度分析
不确定度是指在测量过程中，由于误差的存在导致测量值相较于真值的偏差程度，是衡量精密铂电阻温度计综合性能的重要指标。一体式精密数字温度计的不确定度主要来自于标准器、恒温槽、寄生电势、电测设备、铂电阻和环境温度。
标准器本身在检定点上的标准不确定度u1、复现性引入的不确定度u2、试验仪器插孔间温差引入不确定度u3和铂电阻稳定性引入的标准不确定度u4，可以通过查阅昌晖仪表提供的证书获得；温度计自热效应引入的不确定度u5、寄生电势在检定点引入的标准不确定度u6、电测设备引入的标准不确定度u7和环境温度引入的标准不确定度u8，可通过实际测量获得。
在温度计各检定点分别合成标准不确定度uc为：
公式11：
置信概率取p=99%，k=2.58，将各检定点标准不确定度依次带入式13，得到精密铂电阻温度计在检定点的扩展不确定度U99。
公式13：
， 式中U为标准不确定度；k为包含因子。
数字温度计的各不确定度分量及扩展不确定度如表1所示，精密数字温度计的扩展不确定度不超过0.035℃，可以满足精密测温的需求。
4、结论
①根据铂电阻测温原理，对精密数字温度计一体式外形结构和硬件进行设计与选型，通过比例法测温电路和传感器四线式接线法，有效减少了引线对测量结果的影响，显著提高了精密数字温度计的测温精度和稳定性；
②设计精密数字温度计稳定性试验，分别进行长期稳定性试验和温度冲击试验，试验结果表明精密数字温度计在多种工况下测温精度均在±0.05℃内，本文设计的精密数字温度计可以满足精密测温的需求；
③对精密数字温度计进行不确定度评定，从标准器、自热效应、环境温度、试验仪器等多个方面分别计算不确定度分量，最后将各不确定度分量合成，合成后的扩展不确定度在0.035℃以内。
作者：王馨梓、李娇娇、山涛、张禹、徐震震、王杰文、张开兴
