多路温度采集仪器的标定与数据分析

《仪器仪表与分析监测｝２００６年第４期　多路温度采集仪器的标定与数据分析　Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　王新元ｈ　程瑞端　沈炳耘　李时东　（１．深圳职业技术学院机电学院　广东深圳　５１８０５５；　２．内蒙古工业大学能动学院　蒙古呼和浩特０１００５１）　［摘　要］　文章介绍了对一种多路温度采集仪器的标定过程及性能验证过程。通过对仪器采集的　数据进行分析，得到不同传感器的特性曲线，确定了各种传感器的应用特点。并经过在一台吸收式制冷　机上的实验验证，证明此标定过程准确可行，使多路温度采集仪器达到了预期的设计目标。　［关键词］传感器　标定　温度测量数据处理　［中图分类号］ＴＰ２１２　［文献标识码］　Ａ　温度在暖通、制冷专业中是一个重要的热工参　特性为随着温度的变化，传感器的电阻值也有较大　数，在许多的教学实验中都会要求对温度进行测量、　的变化。因此在温度测量时，只要测得了传感器的电　记录。为了适应教学、演示的需要，现设计一种多路　阻值，也就得到了测点的温度值。本系统既由这一特　温度采集仪器，预期实现功能为可同时采集、显示、　性搭建起工作电路，在电路中，由ＡＤ转换芯片将传　记录多点（８～１６个）温度。实验中采用此仪器，记录　感器的电阻值转换成ＰＣ可识别的ＡＤ转换数值，　温度的同步性、实时性将会比人工记录有明显的改　然后传给软件部分进行处理。　善。　系统搭建完成后，软件部分即可进行数据采集、　为使该仪器能在各种场合通用，以下主要介绍　记录等工作，但此时采集的数据只是由硬件部分传　仪器标定过程及数据处理过程中出现的问题和解决　来的ＡＤ转换数值。要使系统具备通用性，软件显示　方法。　的数据应为测点的温度值。因此标定过程即在ＡＤ　１仪器标定实验　转换值与温度值之间找到某一确定的数学关系的过　程。将这一数学关系写入到软件中以后，系统才能达　１．１　系统构成　仪器由硬件及软件两部分组成，其中硬件部分　到预期的目标。　１．３实验过程　承担采集、预处理、传送数据至ＰＣ的功能，软件部　本实验将对ＰｔｌＯ０、Ｐｔｌｋ、ＣｕｌＯｋ、ＷＤＣＦＭ５８—　分负责对数据计算、实时显示、记录的功能。系统组　３７０—１０３型温敏电阻等４种传感器进行标定。实验　成如图１所示。　时标定依据为精度为０．１℃的水银温度计，测试环　操作按键ｈ　Ｉ　呼　ｌ【　境为一个由导热性能良好的金属材料做成的恒温水　源。因传感器不能与水直接接触，测试时传感器须用　图　数　由　硅胶固定在恒温水域的外表面，并覆盖保温材料以　形　据　被　多路ｆ厂　温度ｌ行　显　处　保证传感器不受外界环境温度影响。　测　２３２　——　实验时，恒温水域中首先加入冰水混合物，同时　对　传感Ｈ转　　ｌＡＥ　不　理　器ｌ　ｌ换　接　界　程　注意观察温度计读数。待读数稳定后，记下此时的温　象　口　面　序　度与ＡＤ数值组标号，再注入温度高的水使水体温　图１　温度采集仪器构成示意图　度升高。待水温达到５０℃左右时停止注水。这样即　完成了一个标定周期。为减少误差，同一温度段的标　１．２标定实验原理　系统的测温元件为电阻式温度传感器，其工作　定过程独立进行５次。　１．４数据记录及整理　一２６一　维普资讯 http://www.cqvip.com

多路温度采集仪器的标定与数据分析王新元，等　数据记录工作由软件完成。在实验中，系统可同　该点的极限误差方法来分析。取８路传感器的平均　时采集８个测点上的传感器数据，并能在程序界面　值作为该类型传感器读数的标准值，误差分析过程　上实时显示、记录采集到的ＡＤ转换数据。　如下（以温度为７．５℃时，Ｐｔｌ００采集样本为例）。　数据记录完毕后，取温度值及对应ＡＤ转换值　２．２．１实验采集数据（见表１）　采用“最小二乘法”进行拟合。为减少误差、保证精　表１　７．５℃时８路传感器的ＡＤ转换值　度，ＡＤ转换值取用不同温度时各路传感器的子样　平均值作为拟合参数，拟和曲线取二次曲线。由此得　ＡＤ１　ＡＤ２　ＡＤ３　ＡＤ４　ＡＤ５　ＡＤ６　　ＩＡＤ７　Ｉ　ＡＤ８　２　１５８．６　２　１７２．４　２　１６２．２　２　１７２．２　２　１７９．６　２　１６５．８１２　１６４．２Ｉ　２　１６１　到的温度一ＡＤ转换值特性曲线即为传感器的工作　２．２．２子样平均值　曲线。　以Ｐｔｌ００为例，拟合所得二次曲线为Ｙ＝　一　７ｚ　∑口１　　：２‘　　１６７　（２）　０．０１９ｘ。＋１．４９２　３ｘ＋２　１５３．２，其中Ｒ。一０．９９８　４。曲　２．２．３均方根误差　线如图２所示。　√　厂■—　——一　（ａｄ　一　）ｚ－２．６８７　２　（３）　２２８０　２２６０　２２４０　２．２．４极限误差　２２２０　盆　２２００　△＿一§＝８．０６１　７　（４）　２１８ｏ　２．２．５相对误差　２１６ｏ　ｏ　１Ｏ　２Ｏ　３Ｏ　４０　５Ｏ　６Ｏ　ａｄ／７．５℃一２１　６７８．０６１　７，最大相对误差为　温度（℃）　０．３７％。　（５）　图２　Ｐｔ１ｏｏ传露器温度特性曲线　由系统电路组成可知，该ＡＤ变换值与Ｐｔｌ００　由Ｒ。值可以看出，该曲线与各测量点有着较好　的电阻值之问为线性对应关系，因此，ＡＤ转换值的　的吻合度，可以作为Ｐｔｌ００的特性曲线使用。将描述　相对误差即可看作是不同传感器个体之间的相对误　该曲线的二次方程写到系统的软件中去，软件即可　差。本实验所用工业用Ｐｔｌ００的精度等级为Ⅱ级，允　自动的将采集到的ＡＤ转换数值换算为温度值，达　许误差为０．１％。所以本系统对其精度产生了一定　到系统的预期设计目标。　影响，但如果测温要求在０．５％以上，ＡＤ转换带来　的误差可忽略不计。　２误差分析　２．３传感器自身误差　２．１温度采集环节误差　为了比较不同类型的传感器的工作特性，将不　温度采集时，由于水银温度计与传感器的响应　同传感器的特性曲线放在同一座标系内进行分析，　时问不同，读数时应仔细观察程序中ＡＤ转换值的　如图３所示。　曲线，待曲线保持水平后，即传感器的阻值恒定后再　∞　同时读取水银温度计与ＡＤ转换值。　２１００　传感器与恒温水域间的连接须可靠、紧密，以保　证传感器所测得温度即为水温的实际值。　糕１８００　盆ｌ５∞　２．２　ＡＤ转换环节误差　ＡＤ转换过程中，受供电电压、电路中电阻阻值　ｌ２∞　ｌ０　扣　∞　加　即　变化等因素的影响，单片机采集到的ＡＤ转换数值　温度（’Ｃ）　会呈现一定的规律在真值附近波动。　－．－９／ＩＥ￣－３７０－１０３　－．－．ｒｔ１００　为消除读数时任取一点产生的随机误差，处理　十Ｃｕ１０ｋ　十　ｔ１ｋ　数据时采用该点前后５个点的时均值作为该点的真　图３不同传感器阻值特性对比　实值。计算公式：　由图３可看出，不同类型的传感器受材料、制造　—百　ａｄ；＋ａｄ；一１＋口　＋口　＋１＋口　＋２，１、　ａａ；一——————］　————一　工艺的影响，其阻值与温度变化的对应关系是不同　要评价取用时均值的优劣，我们可以通过计算　的。在配合本系统使用时，会得到不同的测量精度，　一２７—　维普资讯 http://www.cqvip.com

《仪器仪表与分析监测））２００６年第４期　从而可应用于不同的测温范围。　而当采用Ｐｔｌ００测量较大的温度变化范围（０－－　２．３．１高精度传感器分析　５００　Ｃ）时，各个传感器之间的差异虽然依然存在，　铂电阻测温范围较广，因此在应用于小温度变　但整个ＡＤ数值变化范围增大，此时的相对误差会　化范围（０－－５０℃）时，它的电阻值变化的绝对数值　是０～５０　Ｃ时的１／１０左右，即在１　左右。这时对　将相对其他传感器较小，反映在图形上即为一条平　于测量精度要求不高的应用，使用标准公式也可以　缓的曲线。这种特性使得在本系统中将铂电阻应用　满足要求。　于小范围温度测量时，使用由子样平均值拟合出的　如果要使用Ｐｔ１００获得精度较高的测量结果，　曲线会产生较大的误差。由图４可以比较直观的观　须采用每个传感器各自的特性曲线，此时误差是由　察到这一点。图４中曲线１为拟合得到的曲线，数学　拟合的曲线与真实值之间的差异造成。由值我们可　表达式为：Ｙ标准一０．０１９ｘ。＋１．４９２　３ｘ＋２　１５３．２；　知，这种误差将很小，其计算方法与２．２相同，不再　曲线２为１号传感器的特性曲线，数学表达式为：Ｙ。　在此具体计算。　＝０．０２６２：（。＋１．０６３３ｘ＋２　１４７．５。如图４所示，在使　２．３．２低精度传感器分析　用铂电阻测量小的温度变化时，同一温度点上，各个　普通温敏电阻（本次实验所用）虽然在精度、灵　传感器之间ＡＤ数值绝对值上的差异大于温度变化　敏度等方面的性能指标不如铂电阻，但其阻值变化　所带来的ＡＤ值的变化。这时，如果采用由子样平均　随温度变化大的特点使其在本系统中测量小范围温　值拟合出的曲线作为计算温度依据，相对误差会由　度变化时性能要优于铂电阻。而在测量高温时（＞　传感器间的ＡＤ数值差的绝对值与整个温度变化范　１５０。Ｃ），受其本身材料物理性质的限制，测量结果　围所产生的ＡＤ值变化来起主导作用，由式（５）得到　的可信度又劣于铂电阻。　的各个传感器之间的相对误差０．３７　在此处可以　忽略。以１号传感器与标准值的特性曲线进行比较　３实验验证　为例，最大误差可达到：　一１２．］／］ｏ２＝１１．９　。　标定实验结束后，又对其进行了性能验证。实验　测量对象为一台吸收式制冷机。测点分布在制冷剂　２２６０　的几个部件上，分别为：蒸发器进水处、蒸发器出水　２２４０　处、发生器、冷凝器、吸收器出口、储液罐出口、稀溶　趔２２２０　藿２２００　液出口、发生器稀溶液进口。在温度变化范围较大的　２１８０　发生器处使用Ｐｔｌ００传感器，而在其他各处采用　２１６０　Ｃｕ１０ｋ传感器。采集结果如图５所示。　２ｌ４Ｏ　０　５　１０１５　２０　２５　３０　３５　４０　４５　５０　５５　图５中纵坐标为温度、横坐标为时间。由图５可　温度（℃）　看出，各点的温度变化曲线符合测量部件的工作特　图４　Ｐｔｌ００传感器温度特性曲线分析　性。用测得的温度计算该制冷机的效率，比较该制冷　ｌ　一　。　～　ｔ－－　－Ｚ●　■翱鳝”　●Ｉ■‘　器麓蒲鬈一蒌　茸寰’　ｆ薯●一　ｔ　ｌ嚣　ｒ　■　Ｔ－０　１　ｌ３５２３　—　啊　ｌＩＩ　一　ｒｒ　ｉＩ■Ｉｊ■ｆ稼　，　ｌ　ｅ５．２Ｉ２　／　—～一Ｉ＿一　—　纛－讲ｔ　；苫■”嗣Ｐ　Ｉ　ｌ港・ｔ＾　＾　魁　，’　ｔ　ｌＴ　ｔ　／ｌ　秘ｔ－　，・　｜ｌ啦　ｒ　慧　：　　ｌｌ　ｌｌ　　ｌ擅　竹　【－●－　１　－‘－＾＿－一－。＿＿＿＿＿＿＿。－一　Ｉ　Ｉ　Ｉ　ｊｊ　嘲；Ｉ　—　～　日一。ｅｒｇｏ。＿∞‘　。Ｉｏ“　图５制冷机运行过程温度变化　（下转第３７页）　一２８一　维普资讯 http://www.cqvip.com

利用水份测定仪快速测定曝气池污泥浓度　黄　晶　２．２对比实验　２．４实验注意事项　测定污泥浓度，利用此法与电热恒温干燥重量　１）曝气池内污泥混合液取样时要注意取样点靠　法相比，具有如下特点：　近氧化沟转刷，取得曝气充分、混合均匀的水样。　２．２．１滤纸准备时间短　２）实验室量取污泥混合液时，要预先充分摇匀，　电热恒温干燥法中，需要对滤纸进行反复干燥　快速量取。　和称重，方可确保滤纸干燥至恒重；而利用水份测定　３）可先目测污泥浓度，如果很大，要酌情少取样　仪，一般２　ｍｉｎ便可确保滤纸干燥至恒重。　或延长干燥时间。　２．２．２样品干燥时间明显减少　电热恒温干燥法中，对样品的干燥至恒重时间　３　结论　至少需要４　ｈ，用水份测定仪一般只需４０　ｍｉｎ即可　利用水份测定仪测定污泥浓度准确度高，是一　干燥至恒重。　种简便、快速、有效的分析方法。　２．２．３检验结果重复性好　对同一样品用水份测定仪连续进行６次测定，　参考文献　检验结果相对偏差为１．８０　。　［１］曹宇，王恩让．污水处理厂运行管理培训教程　２．３干燥至恒重时间的确定　［－Ｍ－］．北京：化学工业出版社，２００５：１５—１６　试验了不同干燥时间下水份仪测定法的检测结　［－２－］刘景明，王德安．职业技能鉴定培训读本（技　果，结果表明：当样品干燥时间超过４０　ｍｉｎ时，检测　师）——污水处理工［－Ｍ－］．北京：化学工业出版　结果随干燥时间的延长无变化，所以在通常情况下，　社，２００４：４７３—４７４　将干燥恒重时间设定为４０　ｍｉｎ即可。　（上接第２８页）　机的标称制冷效率，误差为３．１　。使用该测温系统　变化特点选用不同的传感器。　进行这项实验时，实验者在连接好系统后只需观察　软件的温度显示面板即可，省去了繁琐的读数、基数　参考文献　工作，同时用曲线表示温度变化过程也比较形象、直　－［１－］吕崇德．热工参数测量与处理［－Ｍ－］．北京：清华　观，利于实验者对制冷机工作循环形成具体的印象。　大学出版社，２００１　４　总结　［２］王寒栋．制冷空调测控技术［－Ｍ－］．北京：机械工　业出版社，２００４　１）电阻式温度传感器的阻值特性多为线形曲线　－［３－］刘光宇，李陆世，徐良汉．传感器微机标定系统　或接近线形曲线，因此可以使用“最小二乘法”根据　研究［－Ｊ－］．传感器技术，２０００，１９（５）：３３—３４　各个测试点拟和出高精度的标准工作曲线。在精度　［４］王庆祝，刘荣昌，孙晓梅，等．温度传感器自动标　要求不高时，采用一次曲线作为工作曲线也可满足　定系统的软件设计［－Ｊ２．河北科技师范学院学　要求。　报，２００４，１８（４）：４－８　２）本系统的设计是面向须同时测定多点温度的　－［５－］郑传经，郑庆伟，黄承宏，等　制冷空调试验装置　场合，目标是为简化操作、提高测温效率。从实验结　中传感器的标定［Ｊ］．流体机械，２００６，３４（１）：　果来看，达到了预期的设计目标。但缺点是为了简化　７７—７９　电路，降低了测温精度等级。因此，使用时要明确测　［６］王志胜，王道波，蔡宗琰．传感器标定的统一数　温对象的要求，以最大限度发挥本系统的能力。　据处理方法［－Ｊ－］．传感器技术，２００４，２３（３）：４６—　３）对本系统而言，高精度传感器未必能得到高　４７　精度的测量结果。在应用时，须考虑被测对象的温度