NTC热敏电阻器在高精度温度测量中的应用

　　0　引　言

　　NTC热敏电阻器除具有体积小、响应快、耐振动等优点外,还有阻值高、温度特性曲线的斜率大等特点。由于阻值高,往往可以忽略引线电阻的影响,即允许采用二线制接法。由于阻值随温度变化大,相应输出较大,对二次仪表的要求相对较低。缺点是量程窄、互换性差。

　　针对本文涉及研制项目温度测量量程窄、测量精度要求高(22℃±0.01℃)等特点,选用了经反复老化、长期稳定性指标优于0.002℃/a的热敏电阻器。尽管其阻值很高,仍然采用四线制的接法,以消除很小一点的引线电阻影响。对单支传感器进行了量程范围内多个温度点的严格标定。将其与采用特殊结构的电阻测量仪表相配合,最后,得到了期待的精度。

　　1　高精度温度测量系统的研究

　　1.1　数学模型

　　热敏电阻与温度的关系是严重非线性。为了对这种非线性进行尽可能准确的描述,采用了如下的Steinhart-Hart方程

　　式中　T为绝对温度值,K;R为热敏电阻器在温度为T时的电阻值,Ω。A,B, C,D则为4个特定的参数。一般需要采用多个温度点(至少4点)的标定获得热敏电阻器在已知温度点的阻值,然后,经过拟合获得模型的参数。这是一个从T和R出发推算A,B,C,D的过程,即校准或建模的过程。而测量时,则是在已知A,B, C,D的前提下,根据测出的R和数学模型推算出T的过程,这实际上是个内插的过程。

　　1.2　影响测量精度的因素

　　为了用热敏电阻器进行高精度的温度测量,必须研究各种影响因素,并采取相应的对策。在不考虑热敏电阻器的长期稳定性的前提下,尚有如下因素应当考虑:

　　(1)热敏电阻器的标定:从第1.1节的表述可以看出:高精度的测量实际是一个高精度的内插问题。而要进行高精度的内插,需要事先进行高精度的建模。而高精度的建模又需要依据高精度的标定数据、并经过可靠的数据处理后才能实现;

　　(2)激励电流的影响:电阻本身是不能直接测量的,必须对其供恒流电,然后,测其两端电压才能计算出电阻来。但这样做存在以下问题:因为精密的恒流源无法保证其真正“恒”流。从严格意义上讲,电流难免会因环境(如温度)的因素而发生一些微小的变化。即便这种变化可以忽略,但为了从电压计算出电阻,还必须知道激励电流的准确数值,这又涉及到对电流进行更高精度的测量,而这是极其困难的;

　　(3)热电动势:传感器在接入仪表的过程中不可避免会使用一些导线,经过一些节点。而这些导线几乎不可能是同一种金属构成的,且各节点也几乎不可能处在同一温度环境中。这样接点处就不可避免会产生热电势。而这些热电势将进入测温电路,影响到测量结果,使测量精度降低;