CN208350230U - 一种高精度高稳定性温度巡检仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高精度高稳定性温度巡检仪，包括多个温度采集模块、单片机、时钟复位电路、通讯电路和电源电路，所述温度采集模块分别与所述单片机的多个输入端电连接，所述时钟复位电路与所述单片机电连接，所述通讯电路与所述单片机电连接，所述电源电路分别与温度采集模块、单片机以及时钟与复位电路电连接。采用本实用新型的巡检仪，具有测量精度高、不确定度低的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及温度仪表技术领域，尤其涉及一种高精度高稳定性温度巡检仪。
背景技术
随着科学技术的发展，在温度计量、仪器仪表、环境监测等行业高精环境温度监测仪器使用越来越多，有些仪器测量精度甚至能够达到±0.1℃，随之用于环境监测仪校准的高精温度试验箱等环境试验设备的精度越来越高，有些温度波动度小于±0.03℃/30min，温度均匀度小于0.05℃。
目前计量行业用于环境温度试验设备测试校准的仪器主要为温度巡检仪，温度巡检仪由多路通道采集仪和工业铂电阻组成，多路通道采集仪一般通过继电器切换通道，继电器切换过程中会带来热寄生电势，影响测量误差，而且继电器切换后测量信号稳定还需要一定时间，如果通道数量较多，在均匀性测试时会引入测量误差。
工业铂电阻一般选用Pt100热电阻，即使精度最高的AA级Pt100热电阻的测量精度也在0.1℃以上，加上测量仪表的误差，巡检仪装置测量不确定度一般在0.2℃(k＝2)，只能用于普通环境温度试验设备的校准，其精度和不稳定度指标无法满足高精环境温度试验设备校准的要求。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种高精度高稳定性温度巡检仪，可避免寄生热电势和各通道间读数时间不一致带来的均匀性误差，提高铂电阻的测量精度，从而提高温度巡检仪的测量精度，降低温度巡检仪的测量不确定度。
为了解决上述问题，本实用新型提供了一种高精度高稳定性温度巡检仪，包括多个温度采集模块、单片机、时钟复位电路、通讯电路和电源电路，所述温度采集模块分别与所述单片机的多个输入端电连接，所述时钟复位电路与所述单片机电连接，所述通讯电路与所述单片机电连接，所述电源电路分别与温度采集模块、单片机以及时钟与复位电路电连接，所述温度采集模块包括热电阻、电桥电阻测量电路和A/D转换电路，所述电桥电阻测量电路与所述热电阻电连接，所述A/D转换电路的输入端与所述电桥电阻测量电路电连接，所述A/D转换电路的输出端与所述单片机的输入端电连接。
进一步地，所述高精度高稳定性温度巡检仪还包括基准电压电路，所述基准电压电路分别与所述电桥电阻测量电路和所述A/D转换电路电连接。
进一步地，所述热电阻为PT25铂电阻。
进一步地，所述热电阻包括外保护管、石英骨架、感温元件、铂引线和接线片，所述外保护管密封并充填有含氧气的氦气，所述石英骨架设于所述外保护管中，所述石英骨架与所述外保护管间的空隙中填充绝缘粉末，所述石英骨架沿轴向设有两个通孔，所述感温元件弯曲成U型并设于所述通孔中，所述感温元件两端分别连接两根所述铂引线，所述铂引线另一端连接所述接线片。
进一步地，所述绝缘粉末为氧化镁和石英的混合粉末。
进一步地，所述外保护管的外径为5-8mm，所述感温元件的长度为50-70mm，所述铂引线的长度为1500-2500mm。
进一步地，所述感温元件由感温铂丝组成，所述感温铂丝的直径为0.06-0.08mm，所述感温铂丝绕制成螺旋状。
进一步地，所述接线片为紫铜接线片。
采用本实用新型所述巡检仪，具有如下有益效果：
本实用新型热电阻的测量精度达到5mK，而工业铂电阻温度计测量精度一般在0.1℃，大大提高了热电阻的测量精度；
采用了多个并行的温度采集模块，避免了继电器的使用，从而避免了寄生热电势的产生，降低了测量误差；
每个温度采集模块独立采集温度数据，避免了多个通道切换带来的各通道读数不一致，降低了测量的均匀性误差；
每次测量前后都采用固定点装置对巡检仪进行标定和验证，再对巡检仪各通道进行修正，这样即消除通道间测量误差，又能保证巡检仪测量数据准确、可靠；
通过温场测量软件自动实现试验箱的温场测量，能确保数据采集、记录更实时、准确，避免了人工读数带来误差；软件通过算法自动计算误差、均匀性和波动度等数值，避免了人工计算带来误差，计算结果更准确、可靠；
使用上述巡检仪，巡检仪的测量精度达到了0.001％，不确定度达到0.01℃(k＝2)，大大提高了巡检仪测量的精度和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本实用新型一种高精度高稳定性温度巡检仪的电路图；
图2是本实用新型一种高精度高稳定性温度巡检仪中热电阻的结构示意图；
图3是本实用新型一种高精度高稳定性温度巡检仪的巡检方法的热电阻的布点图。
其中，图中附图对应标记为：
1-外保护管 2-石英骨架 3-感温元件
4-绝缘粉末 5-铂引线
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一个实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
如附图1所示，为本实用新型的一种高精度高稳定性温度巡检仪，包括多个温度采集模块、基准电压电路、单片机、时钟复位电路、通讯电路和电源电路，所述温度采集模块分别与所述单片机的多个输入端电连接，所述时钟复位电路与所述单片机电连接，所述通讯电路与所述单片机电连接，所述电源电路分别与温度采集模块、单片机以及时钟与复位电路电连接。
所述温度采集模块包括热电阻、电桥电阻测量电路和A/D转换电路，所述电桥电阻测量电路与所述热电阻电连接，所述A/D转换电路的输入端与所述电桥电阻测量电路电连接，所述A/D转换电路的输出端与所述单片机的输入端电连接，所述基准电压电路分别与所述电桥电阻测量电路和所述A/D转换电路电连接。
所述热电阻为PT25铂电阻，如附图2所示，所述热电阻包括外保护管1、石英骨架2、感温元件3、绝缘粉末4、铂引线5和接线片，所述外保护管1的外径为6mm，所述外保护管1为石英保护管，所述外保护管1密封并充填有含氧气的惰性气体，例如含氧气的氦气，所述石英骨架2设于所述外保护管1中，所述石英骨架2与所述外保护管1之间的空隙中填充有绝缘粉末4，所述绝缘粉末为80-90％的氧化镁粉末和10-20％的石英粉末，其中，所述氧化镁粉末的颗粒度为1000-2000目，所述石英粉末的颗粒度为100-150目，所述石英骨架2沿轴向设有两个通孔，所述感温元件3为U型，所述U型感温元件的两臂分别设于两个所述通孔中，所述感温元件3的长度为60mm，所述感温元件3由感温铂丝组成，所述感温铂丝的直径为0.07mm，所述感温铂丝绕制成螺旋状，所述感温元件3两端分别连接两根所述铂引线5，所述铂引线5的长度为2000mm，所述铂引线5另一端连接所述接线片，所述接线片为紫铜接线片。
所述电桥电阻测量电路作为核心测量电路，采用所述热电阻作为电桥的桥臂电阻，电路通过零欧姆的电阻接地，减小其他接地器件的干扰，从而使得电路工作更加稳定。
所述A/D转换电路采用AD7793型A/D芯片，所述芯片是一款适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端、内置低噪声的16/24位ADC，其内部集成了片内低噪声仪表放大器，因此可以直接输入小信号。
为消除A/D芯片内置基准电压源噪声大问题、提高测量精度，选用AD743REF196基准电压芯片，提供3.3V基准电压。
所述单片机作为控制温度采集模块的核心，采用的型号为STM32F103RBT6，其高分辨率定时器协调16/24位A/D芯片实现高精度的电阻测量。
所述通讯电路为485通讯电路，用于实时将从单片机获得的测量数据上传到巡检仪主机显示、储存。
为方便使用和丰富巡检仪功能，采用嵌入WinCE系统的工业触屏作为巡检仪主机的人机交互、控制核心，采用C#编写触屏控制软件，控制软件通过232方式分别与待巡检设备和温度巡检仪通讯；用户可以在触屏控制软件中设置各种控制参数和通道修正值，巡检仪实时采集各通道的温度值、电量值，绘制温度曲线，计算温场均匀性和波动度，将各种实时参数、数据直观的显示给客户。
本实用新型的一种高精度高稳定性温度巡检仪中热电阻的制备方法，包括以下步骤：
1)严格清洗和高温焙烧所述外保护管1、石英骨架2、感温铂丝、绝缘粉末4、铂引线5和接线片；
2)在无尘温箱内以螺旋的方式绕制所述感温铂丝，绕制完的感温铂丝呈U型，为消除绕制变形、震动或高温下的快速冷却所产生的应力，绕制好的感温铂丝先在680℃退火数百小时；
3)在无尘温箱里组装所述外保护管1、石英骨架2、感温铂丝、绝缘粉末4、铂引线5和接线片，首先，将所述感温铂丝的两臂置入所述石英骨架2的通孔中，然后在所述感温铂丝的两臂末端分别焊接两根所述铂引线5，再将所述石英骨架2、感温铂丝和铂引线5置入所述外保护管1，接着在石英骨架2与外保护管1间的空隙部位填充绝缘粉末4，充入保护气体，再拉制而成，所述铂引线5的另一端位于所述外保护管1外，所述接线片焊接在所述铂引线5位于所述外保护管1外的一端；
4)制备好所述热电阻后，再次在锡凝固点退火数百小时，使热电阻的电阻值保持稳定。
在室温和铟凝固点，用10V兆欧表测量热电阻的铂引线5与外保护管1之间的绝缘电阻，其值大于200MΩ,可防止元件分流带来误差。
本实用新型的一种高精度高稳定性温度巡检仪的巡检方法，包括以下步骤：
1)采用便携固定点装置在汞三相点至铟凝固点范围内对所述巡检仪进行标定，并对多个所述温度采集模块进行修正，消除多个所述温度采集模块间测量误差，提高测量精度；
2)将多支所述热电阻按照布点图分别固定在待巡检设备的相应位置上；
3)在触屏控制软件中设置需要校准的温度点，软件按照设置校准点自动控制试验箱温度，判断箱内温场每分钟波动度，达到设置参数要求后即认为箱内温场稳定，开始按照设定的采集周期和采集时间采集记录数据，软件同时采集试验箱示值和巡检仪采集多个通道的温度数据，并将这些数据实时显示和绘制温度曲线，并自动保存到Access数据库中；
4)触屏控制软件对温度曲线进行分析，计算温场波动度、均匀性和不确定度；
5)测试完成后，再次通过便携固定点装置对所述巡检仪进行标定，验证所述巡检仪的整体稳定性。
据上述巡检仪和巡检方法，选用体积600L的温度试验箱作为所述待巡检设备，为提高测量精度，测量前将巡检仪放入固定点装置，在汞三相点、水三相点、铟凝固点对整套装置进行标定，对各通道温度采集模块进行修正，确保巡检仪测量值准确，消除通道间测量误差。
参考《JJF1101-2003环境试验设备温湿度校准规范》，如附图3所示，采用9温度点布点，采用9支所述热电阻分别放置于9温度点布点；在触屏控制软件中设置需要校准的温度点，软件按照设置校准点自动控制试验箱温度，为准确体现试验箱内的温场指标，待试验箱充分稳定后，开始按照设定的采集周期(20s)和采集时间(30min)采集记录数据，软件同时采集试验箱示值和巡检仪采集9个通道的温度数据，并将这些数据实时显示和绘制温度曲线，并自动保存到数据库中；触屏控制软件对温度曲线进行分析，计算温场波动度、均匀性和不确定度。
测量完成后，再将巡检仪放入固定点装置，在汞三相点、水三相点、铟凝固点进行标定，验证装置的稳定性，经实际验证，测量前后各通道测量变化量不超过2mK。
参考《JJF1101-2003环境试验设备温湿度校准规范》，利用如下数学模型进行巡检仪不确定度研究，
△td＝td–to-△to
式中：△td-温度偏差，℃
td-被测温度试验箱示值，℃
to–温度巡检仪示值，℃
△to–巡检仪修正值，℃
经过分析，巡检仪测量不确定度主要来自于被测温度试验箱的读数重复性、温度巡检仪的读数重复性、温度巡检仪的装置误差，经过实际测试，得到巡检仪的测量不确定度为0.01℃(k＝2)。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种高精度高稳定性温度巡检仪，包括多个温度采集模块、单片机、时钟复位电路、通讯电路和电源电路，所述温度采集模块分别与所述单片机的多个输入端电连接，所述时钟复位电路与所述单片机电连接，所述通讯电路与所述单片机电连接，所述电源电路分别与温度采集模块、单片机以及时钟与复位电路电连接，其特征在于，所述温度采集模块包括热电阻、电桥电阻测量电路和A/D转换电路，所述电桥电阻测量电路与所述热电阻电连接，所述A/D转换电路的输入端与所述电桥电阻测量电路电连接，所述A/D转换电路的输出端与所述单片机的输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种高精度高稳定性温度巡检仪，其特征在于，还包括基准电压电路，所述基准电压电路分别与所述电桥电阻测量电路和所述A/D转换电路电连接。
3.根据权利要求1所述的一种高精度高稳定性温度巡检仪，其特征在于，所述热电阻为PT25铂电阻。
4.根据权利要求3所述的一种高精度高稳定性温度巡检仪，其特征在于，所述热电阻包括外保护管(1)、石英骨架(2)、感温元件(3)、铂引线(5)和接线片，所述外保护管(1)密封并充填有含氧气的氦气，所述石英骨架(2)设于所述外保护管(1)中，所述石英骨架(2)与所述外保护管(1)间的空隙中填充绝缘粉末(4)，所述石英骨架(2)沿轴向设有两个通孔，所述感温元件(3)弯曲成U型并设于所述通孔中，所述感温元件(3)两端分别连接两根所述铂引线(5)，所述铂引线(5)另一端连接所述接线片。
5.根据权利要求4所述的一种高精度高稳定性温度巡检仪，其特征在于，所述绝缘粉末(4)为氧化镁和石英的混合粉末。
6.根据权利要求4所述的一种高精度高稳定性温度巡检仪，其特征在于，所述外保护管(1)的外径为5-8mm，所述感温元件(3)的长度为50-70mm，所述铂引线(5)的长度为1500-2500mm。
7.根据权利要求4所述的一种高精度高稳定性温度巡检仪，其特征在于，所述感温元件(3)由感温铂丝组成，所述感温铂丝的直径为0.06-0.08mm，所述感温铂丝绕制成螺旋状。
8.根据权利要求4所述的一种高精度高稳定性温度巡检仪，其特征在于，所述接线片为紫铜接线片。
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| CN201821032284.2U CN208350230U (zh) | 2018-07-02 | 2018-07-02 | 一种高精度高稳定性温度巡检仪 |
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| CN201821032284.2U CN208350230U (zh) | 2018-07-02 | 2018-07-02 | 一种高精度高稳定性温度巡检仪 |
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| CN (1) | CN208350230U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108613751A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-10-02 | 苏州市计量测试院 | 一种高精度高稳定性温度巡检仪及其制备方法、巡检方法 |
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2018
- 2018-07-02 CN CN201821032284.2U patent/CN208350230U/zh active Active
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| CN108613751A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-10-02 | 苏州市计量测试院 | 一种高精度高稳定性温度巡检仪及其制备方法、巡检方法 |
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