朱军 王宗仁 邢栋 刘鹏
山西省长治市气象局 046000
摘要：文章通过简述铂电阻特性及测温原理，利用标校过程中获取的不同温度值、时间、轴向温场特定高度等数据，利用数学上的叠加传递、二阶函数、多项式等方法分析出温度标校中的最大允许误差、温场精准稳定性、温度动态响应时间等关键变量影响，并提出标校设备的集成智能化、温度动态补偿机制、轴向温场的密闭性改进、温度的动态响应特性，为自动气象站温度传感器的标校改进提供了有效技术支持。
关键词：温度传感器标校 误差传递 轴向温场精准稳定性 动态响应时间
引言 自动气象观测站中测量系统的性能决定了获取可靠性数据的重要保障。通过对气象观测使用的传感器的性能进行标校，是保障气象观测数据准确性的重要基础工作[1]。为了保证自动气象站观测系统的稳定性和测量数据的正确性及有效性，需要气象工作人员对自动气象站的仪器设备定时进行检定和标校。由于金属铂的物理化学特性稳定，温度测量精度高，复现性强，自动气象观测站主要使用PT100铂电阻来进行温度测量[2]。贾博等研究发现当使用普通铂感温元件，得出不锈钢保护套管直径为φ12mm时，τ0.5﹤45S，φ16mm时τ0.5﹤90S，而铂膜元件铠装式τ0.5﹤5S。
1铂电阻特性及测温原理
铂电阻温度传感器，利用金属铂的电阻值随着温度的变化而变化的原理，通过电阻与温度的函数关系间接测量温度。
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铂金属测量温度的原理是通过转换电路的作用将随着温度变化的电阻值转换为电压信号输出。测量温度时，恒电流Io和运放电路始终处于稳定状态，通过切换测出铂电阻Rt和Ro（标准电阻）输出的电压值分别为V1和V0
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由于四线制测量可消除引线电阻影响，提高温度测量的精准通。通过四线制测量，计算出温度的值。
2温度传感器标校的方法
外观检查，检查温度传感器的型号、出厂编号等明显标志；检查外部是否凹痕、破裂、变形等现象；检查传感器密封和信号电缆的完好无损。
环境条件，采集标校环境的温度、湿度、风速，作为检定时的环境条件。
标校的方法：将标准铂电阻温度计传感器、被检温度传感器放在干体炉RTC158的恒温槽工作区域内，两只传感器线路连接在台式精密两通道标准铂电阻温度表TM—3022T，计算机和电阻温度表TM—3022T通过RS-232接口相连接，计算机上的计量标校系统完成远程操作、数据记录等。干体炉RTC158通电工作后，按照设定的-20℃、0℃、50℃温度检定点提供恒温场，通过TM-3022T精密两通道标准铂电阻温度表将分度后的标准铂电阻和被检温度传感器的特征参数通过仪器键盘输入内存后就可准确无误地显示分度温度数值，计算机软件在目标温度恒定后，两只传感器的变化较为平稳时段读数，每分钟内均匀读取3次标准值和1次被核查示值并自动记录。
气温的核查计算，采用公式计算气温核查的示值误差值。
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（3）式中： ——被核查气温示值；——3次气温标准值的算术平均值；——标准器的修正值。
将3次示值误差算术平均值作为气温核查结果（修约到1位小数）。通过计算判断核查标校结果是否符合计量要求，对不符合要求的，查找原因并进行维修或更换，合格标校记录存入档案。
3温度标校存在问题
温度标校通过分控器将RTC158干体炉、台式精密两通道TM-3022T、地市级移动计量校准系统连接起来标校温度。笔者发现在温度标校工作中，地市级移动标校系统时常出现不读取数据情况。
地市级移动标校系统是根据相关规定，在温度检定点下，温场和标准件的误差在±0.1℃内进行温度标校。由于温场是干体炉内置温度感应器控制，如在设定50℃，干体炉加热，直到干体炉内置的温度传感器感知到50℃后停止加热。标准传感器和被测传感器在专用套管内通过空气介质的热传导效应达到目标温度。但是在各种因素（误差叠加、密闭性差、感应时间不够）作用下，标准件温度达不到49.9—50.1℃范围内，地市级移动标校系统在不能满足逻辑设置下不读取数据。同样在其他检定点0℃和-20℃也出现此类问题。
4温度标校中关键因子
4.1最大允许误差和传递
误差是一个量的观测值或计算值与其真实值之差。误差产生的诱因有：测量设备的精准度、测量环境的变化、测量时使用的方法、某些近似公式等造成的误差。
在间接测量中，误差的传递的一般形式为：
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根据温度标校过程中误差计算公式的推演，得出n是在整个温度标校过程中需要使用到元件的个数。n越大，表示使用到的元件越多，最大允许误差也会越大，这样就造成标校结果的误差值就越大，标校结果在特定要求精准度的情况下就会失真。同时也对单个元件存在的最大允许误差进行分析，得出单个元件存在的最大允许误差值必须小于被测温度传感器在特定要求下的最大允许误差，对于这个小于的数值要求的越小，被测温度传感器在标校过程中的精准度就越高。
在实际的温度标校过程中，要充分考虑到干体炉、标准温度计、标准铂电阻温度表的最大允许误差，满足技术指标要求。标校设备及使用到的器材要定期返厂检定计量性能。同时在技术改进上，优化标校设备的集成统一，减少各类设备线路连接带来的误差。
4.2轴向温场的精准度和稳定性
在温度传感器标校过程中，需要独立出的干体炉来提供所需的温度环境场。利用干体炉内均温块的均温作用来保障插入均温块的标准温度计和被校的温度计保持一致。
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图3.干体炉控温工作原理
根据目标温度值，干体炉通过一定的算法控制均温块的调节装置，升高（降低）固态均温块的温度来实现目标温度场并保持均衡稳定，由于热传导作用标准温度传感器、被校温度传感器、恒温块达到温度平衡，进行校准。
轴向温场的精准度和稳定均衡性，确保设定目标温度的可靠实现。热传导过程中空气介质的流动性导致存在一定的环境温差。分析存在较大误差的可能原因主要包括：外界温度对感温槽影响、传感器感温稳定时间不充分。
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在整个轴向温场中，空气作为热传导介质使温度传感器与设定的目标温度值保持一致。受空气流动的影响，均温块加热的热量被外部环境带走一部分，导致温场温度和设定目标温度上有一定误差。这也是制约干体炉提供的温度精准度的关键因素之一。同时也应充分考虑均温块内插入负载对测量区温度的影响及温度元件的迟滞、漂移。
在充分考虑到环境对干体炉温度的影响下，通过改进干体炉套管上部的密闭性减少热量的耗损。同时可以加装温度补偿系统，通过内置的温度传感器和外置标准传感器数据对比分析，对温场进行二次调节，额外提供均温块需要特定补偿的温度能量。数据对比监视套管内温场的细微变化，将数据反馈至双区加热系统，对温场进行二次动态调节，满足温场的精准性和稳定性。
5动态响应时间
温度传感器存在一定的热惯性，在实际使用中考虑温度的滞后。温度标校过程不仅考虑温度传感器的精准度，还要充分考虑热响应特性，满足动态测温的特定技术要求。
温度传感器在测量变化快的温度环境时，一般不能立刻反应被测温度，需要一定时间后才能达到热平衡状态。传感器的动态响应特性是指温度传感器的温度与被测介质温度增量之间的关系，一般用微分方程或传递函数的形式表示。在实际标校中，常用温度传感器对阶跃温度的响应来描述其动态响应特性。热响应时间是温度环境出现阶跃变化时，温度传感器的输出温度变化到相当于该环境温度阶跃量的某个规定百分数时所需要的时间，用tx表示。
实验方法通过控制干体炉温场环境，从-20℃升至50℃，标准温度传感器和被测温度传感器在干体炉温场快速升温下随时间变化。
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图6.温度传感器随时间变换曲线
从图中可以看出，温度传感器存在一定的滞后性，达到热平衡状态前需要一定的动态响应时间。在从-20℃快速升至50℃实验过程中，温度的最大相差值为5.756℃，出现在实验过程的12min。从24min后准温度传感器和被测温度传感器的温度差值都小于0.1℃，两者温度趋于平衡，但存在一定的温度的波动。
在温度标校过程中，要充分考虑温度响应的动态时间来满足静止（或动态）的温度测试要求，传感器感温稳定时间的充足性。同时热响应时间受感温元件，保护管材质和直径的影响较大。
6小结讨论
通过研究分析，影响温度标校的主要因子有：设备串联引起的最大允许误差的传递叠加；RTC158干体炉提供温场的精准度和稳定性不够；温度传感器的温度响应的时间存在延迟。笔者提出：一是通过温度标校设备的集成智能化减少设备连接造成的误差叠加；标校设备及使用到的器材要定期返厂检定计量性能，满足技术指标要求。二是通过改进干体炉套管上部的密闭性减少热量的交换耗损；加装温度补偿系统，对温场进行二次调节，额外提供均温块需要特定补偿的温度能量；提高标校工作的节能和效率，提供干、液槽的切换使用，使用液槽温腔来满足插入多只PT100传感器测温标校。三是温度标校中充分考虑温度响应时间，在标准传感器与被测传感器的相差趋于稳定波动时读取数值。针对热响应时间，优化创新研发铂电阻元件，提高热传导系数；优化保护材质；优化测温元件的大小直径等，满足复杂温度场的测温应用需求。
7研究展望
通过研究分析温度标校中的最大允许误差、温场精准稳定性、温度动态响应时间等关键变量影响，并提出标校设备的集成智能化、温度动态补偿机制、轴向温场的密闭性改进、温度的动态响应特性，进一步完善了温度检定和标校的工作。
依据中国气象局检定部门发布的检定和校准规范，仍需探讨的主要内容包括计量性能要求、通用技术要求、控制器具要求。随着科学技术的不断进步，人们对核查标校的研究和技术方法的探寻对仪器核查标校的研究也越来越深入，对功能、性能、智能的计量技术与方法也将不断的更新。
文献参考：
[1]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,2003.
[2]JJG(气象)002-2011自动气象站铂电阻温度传感器[S].北京:中国气象局,2011.
作者简介：朱军（1988—），男，汉族，长治屯留人，研究生，从事信息与技术保障工作。