付學志 張勇亮 范 維

(1.中國人民解放軍92228部隊，北京 101300； 2.上海杉達學院，上海 200433)

1 引言

目前市場上常用的溫度傳感器為金屬材料熱敏電阻材料制成，該傳感器可在高氣壓環(huán)境下使用，特別在復(fù)雜水下環(huán)境下潛水作業(yè)人員、裝備的實時溫度監(jiān)測中應(yīng)用較多。但在高氣壓環(huán)境下，熱敏電阻材料常常會因為壓力環(huán)境影響而導致溫度測定值產(chǎn)生較大的偏移，且各類溫度傳感器偏移的數(shù)值各不相同，有時甚至同類溫度傳感器偏移的數(shù)值也沒有規(guī)律可循[1]。這種情況對于水下高壓力環(huán)境下的溫度監(jiān)測帶來了極大的困擾，在實際工程應(yīng)用中常常出現(xiàn)因溫度測定的誤差導致測試結(jié)果失效的案例，特別影響到了水下作業(yè)人員、裝備的溫度預(yù)警值的準確性，造成重大安全隱患[2]。

由于水銀溫度計是利用液體熱脹冷縮的原理制成，因而其測試的溫度值不會受壓力的影響。本研究利用水銀溫度計與常用的熱敏電阻溫度傳感器進行高壓環(huán)境下溫度數(shù)值測試矯正試驗，建立了一套高壓環(huán)境下使用的傳感器溫度矯正系統(tǒng)及其使用方法，并通過實驗驗證了高壓下溫度傳感器測試值的偏移性與矯正方法，得到在不同壓力下，熱敏電阻溫度測量值與水銀溫度計溫度測量值之間的函數(shù)關(guān)系(對于熱敏電阻來說，即為測試值與矯正值之間的關(guān)系)，為不同品牌的溫度傳感器在高壓環(huán)境下測試數(shù)據(jù)的真實性提供了有效的控制方法，解決了高壓環(huán)境下溫度傳感器測試數(shù)據(jù)的漂移問題。

2 高壓環(huán)境下溫度傳感器矯正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

高壓下溫度傳感器偏移矯正系統(tǒng)由環(huán)境模擬設(shè)備、熱敏電阻溫度傳感器(被測量)、水銀溫度計(矯正量)、監(jiān)測記錄設(shè)備組成。環(huán)境模擬設(shè)備為高壓艙，可以通過注水、注入高壓空氣模擬潛水員水下一定深度的高氣壓環(huán)境。在艙頂部和底部分別安裝氣加熱裝置和水加熱裝置以對高壓艙內(nèi)空氣和水進行加熱。

如圖1所示，將兩組熱敏電阻溫度傳感器(氣溫實測組、水溫實測組每組4支)和兩組水銀溫度計(氣溫矯正組、水溫矯正組每組4支)置于加壓倉中，水中和空氣中各放1個對比組，水銀溫度計左右兩側(cè)的上方設(shè)有高清攝像頭，可以清晰看到每支水銀溫度計的溫度讀數(shù)。兩組共8支熱敏電阻溫度傳感器通過穿倉件與艙外的溫度顯示屏相連接，可以在艙外實時讀出各支傳感器的溫度值。加壓艙頂部設(shè)有氣溫加熱裝置，底部設(shè)有水溫加熱裝置，可以為艙內(nèi)的高壓環(huán)境下的氣和水加熱至不同溫度。

圖1 高壓下溫度傳感器偏移矯正系統(tǒng)示意圖

由于水銀溫度計是利用液體熱脹冷縮的原理制成，其測試的溫度值不會受壓力的影響。因而在實驗時，將兩組水銀溫度計測試高壓環(huán)境下水溫和氣溫的數(shù)據(jù)作為基準值，再記錄兩組利用熱敏電阻溫度傳感器測試該環(huán)境下水溫和氣溫數(shù)據(jù)，熱敏電阻溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)可認為是實測值，水銀溫度計測得的數(shù)據(jù)可認為是矯正值，對兩組數(shù)據(jù)進行擬合分析，得到實測值與矯正值之間的數(shù)據(jù)擬合方程，從而得出高壓環(huán)境下熱敏電阻溫度傳感器氣溫與水溫測試結(jié)果的矯正規(guī)律[3]。

3 溫度傳感器矯正實驗

3.1 實驗方法

在加壓艙中注水直到淹沒水溫測試組的測試儀器后停止注水，開始為加壓艙注入高壓空氣加壓至第一壓力點0.1MPa，同時開啟水和氣體加熱裝置加溫。第一次水和氣均加溫加至20℃，通過高清攝像頭記錄水銀溫度計氣溫組與水溫組共8支的讀數(shù)，通過艙外顯示屏記錄熱敏電阻溫度傳感器氣溫組與水溫組共8支溫度；然后繼續(xù)加溫至25℃，同樣的方式記錄兩組溫度測試裝置的讀數(shù)，以此類推，每次升溫5℃后記錄兩組溫度測試裝置的讀數(shù)，直到溫度達到70℃測試最后一次數(shù)據(jù)(圖2、圖3)。

圖2 加壓艙控制臺

圖3 溫度傳感器接入艙內(nèi)

第1個壓力點0.1 MPa測試結(jié)束后，待溫度冷卻至常溫，進行第2個壓力點0.2 MPa的測試，壓力測試點可逐次增加0.1MPa，直到最大壓力1.0MPa。通過壓力的變化，可以實現(xiàn)在不同壓力下溫度熱敏電阻溫度傳感器測量結(jié)果的矯正，分析不同壓力對熱敏電阻溫度傳感器測試氣溫、水溫結(jié)果的影響規(guī)律，找到氣溫和水溫的在一定壓力下測試溫度與矯正溫度的擬合規(guī)律。

在同一壓力下的每一個溫度測試點上，氣溫實測組、氣溫矯正組、水溫實測組、水溫矯正組各組都會各產(chǎn)生4個測試數(shù)據(jù)，為了減小測試誤差，采取將每個組的4個數(shù)據(jù)取平均值的方法獲得該溫度下每組測試裝置的最終測試溫度，水銀溫度計4個測試平均值用Z表示，熱敏電阻溫度傳感器測試平均值用X表示。溫度矯正的過程采用氣溫與水溫分開矯正的方式，即用氣體環(huán)境下的水銀溫度計數(shù)據(jù)來矯正氣體環(huán)境下的熱敏電阻溫度傳感器，用水環(huán)境下的水銀溫度計數(shù)據(jù)來矯正水環(huán)境下的熱敏電阻溫度傳感器，兩者不互相干擾，最終得出氣、水各自不同的矯正公式[4，5]。

表1為0.1 MPa下水溫測試組的記錄方式。

表1 0.1 MPa水溫測試組記錄方式

表1記錄的是0.1 MPa下水溫測試組、水溫矯正組在不同溫度點時的數(shù)據(jù)，X1表示第一個溫度點20℃下水溫實測組4個溫度傳感器測試值的平均值，Z1表示第一個溫度點20℃下水溫矯正組4個水銀溫度計測試值的平均值，以此類推。

壓力變化過程選取11個壓力測試點，從0.1 MPa開始以0.1 MPa為單位一直增加到1.0 MPa，作為不同壓力的輸入值。

得到以上數(shù)據(jù)后，利用回歸分析的方法進行數(shù)據(jù)擬合，將實測組測試值用X表示，將矯正組測試值用Z表示，通過多變量非線性擬合方程可以得到在不同環(huán)境壓力下矯正溫度值Z與實測溫度值X之間的函數(shù)關(guān)系。

3.2 數(shù)據(jù)擬合方法

在0.1 MPa下水中兩組溫度傳感器的實驗結(jié)果見表2。

表2 0.1 MPa水溫測試組測試值

從表2的實測組與矯正組的測溫數(shù)據(jù)可以看出，在0.1 MPa下熱敏電阻溫度傳感器對比水銀溫度計的值有一定的偏離。在數(shù)據(jù)擬合的過程中，根據(jù)溫度數(shù)據(jù)擬合的規(guī)律并考慮到三次多項式擬合的準確性，可以得到矯正溫度與測試溫度之間的關(guān)系一般由三次多項式擬合關(guān)系[6]：

Z=a0+a1*X+a2*X2+a3*X3

其中a0，a1，a2，a3為0.1 MPa下的一組定標數(shù)據(jù)計算得到的壓力系數(shù)，表示環(huán)境壓力對溫度測試數(shù)據(jù)影響的某一換算關(guān)系。通過實驗得到0.1 MPa到1.0 MPa各自壓力下的不同定標數(shù)據(jù)，可擬合出不同壓力下測試溫度與矯正溫度之間的函數(shù)關(guān)系。將表2中 0.1 MPa下水溫測試的數(shù)據(jù)用Matlab軟件進行數(shù)據(jù)擬合，擬合結(jié)果如下：a0=3.0178，a1=0.7246，a2=0.0054，a3=3.2266×10-5，得出曲線如圖4所示。

圖4 0.1MPa水溫數(shù)據(jù)擬合曲線圖

4 討論與分析

針對高壓下常用溫度傳感器測試值產(chǎn)生偏移的問題，建立了高壓下溫度傳感器矯正系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)擬合的方法得到了不同壓力下測試溫度與矯正溫度之間的函數(shù)關(guān)系。通過矯正實驗可知：

高壓環(huán)境下無論在水中還是空氣中，水銀溫度計使用封閉腔體，測試部分被密封于常壓環(huán)境中，不受高壓環(huán)境的影響，因而它的測試值可以認為是矯正值[7，8]。高壓下常用的熱敏電阻溫度傳感器測試值較水銀溫度計測試值有一定的偏離，可以得出高壓環(huán)境對常用的熱敏電阻溫度傳感器測試結(jié)果有著一定的影響。

本研究設(shè)計的高壓下溫度矯正系統(tǒng)可以針對常用的熱敏電阻溫度傳感器進行矯正，得出矯正結(jié)果可以通過數(shù)據(jù)擬合的方式得出測試溫度與矯正溫度的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系。對于某一確定品牌型號的熱敏電阻溫度傳感器的高壓下矯正，通過利用本系統(tǒng)不同壓力下的一次實驗便可以進行矯正，得出的實驗數(shù)據(jù)可在同品牌型號同通用，不需要重復(fù)矯正，更換品牌型號后只需再進行一次矯正實驗即可，具有良好的可操作性和實用性，該系統(tǒng)對于同類同型號溫度傳感器的高壓下使用的溫度矯正具有一定的參考意義。