使用密封的高精度电阻器提高 Batemika UT-ONE 温度计读数的长期稳定性
Batemika Measurement Solutions 通过采用 VHP101T 密封 Bulk Metal ®箔电阻器作为内部参考电阻器，能够提高其 UT-ONE 系列温度计读数的准确度。长期漂移从每年超过 20 ppm 改善到每年不到 5 ppm。
行业/应用领域：精密仪器
使用的产品：
VHP101T超高精度密封大块金属®箔电阻器
SMR3DZ超高精度 Z 箔模压表面贴装电阻器
挑战
使用铂电阻温度计精确测量温度需要具有极其严格精度要求的电阻测量仪器。要实现 0.001°C 的温度精度，工业标准 Pt-100 探头在 0°C 时需要 4 ppm 的电阻精度。随着现代 24 位 sigma-delta 模数转换器的出现，实现几 ppm 级别的线性度和有效分辨率变得相对简单，因此现在的主要挑战仍然是确保低短期和长期漂移。
解决方案
在 Batemika，我们开始开发 UT-ONE 系列温度计读数，其总精度目标低于 0.01°C。我们的第一代 UT-ONE 设备能够实现我们在有效分辨率、线性度、温度系数和短期漂移方面的所有目标，但难以实现预期的长期漂移规范。根据 VPG 箔电阻器现场设计工程师的建议，我们用 Vishay 箔电阻器 VHP101T 密封 Bulk Metal ®替换了我们的内部参考电阻器箔电阻。这一步大大提高了整个仪器的长期稳定性，并为其测量结果提供了新的信心。Pt-100 探针在 0°C 时能够达到的典型精度规格为 0.006°C，随着长期漂移数据的缓慢积累，我们现在正在考虑进一步提高精度规格。
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图 1：Batemika UT-ONE B03A 3 通道温度计读数 |
用户解释
UT-ONE 温度计读数的测量电路基于 4 线比例配置的 24 位 Sigma-Delta 模数转换器。简化的测量电路包括具有 1 mA 测量电流的电流源，这会在未知电阻 RRTD 和参考电阻器 RREF 上产生压降。未知电阻上的压降由可编程增益放大器放大并馈入 ADC 输入。参考电阻上的压降用作 ADC 的参考电压。
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图 2：UT-ONE 温度计读数的简化测量电路 |
这种配置的优点是电流源的精度和低频噪声对测量结果没有影响。长期漂移仅由参考电阻和可编程增益放大器决定，无法区分这两个来源的贡献。在我们的初始设计中，参考电阻器是 Bulk Metal ®SMR3DZ 模压 Vishay 箔电阻器，在 70°C 和额定功率下具有 50 ppm 的负载寿命稳定性。由于我们的仪器额定温度最高可达 36°C，功率几乎可以忽略不计，因此我们假设电阻器的稳定性每年在 10 到 20 ppm 之间。我们还假设可编程增益放大器的稳定性将在相同范围内，因此进一步改进参考电阻将毫无意义。图 3 中显示的长期漂移结果似乎证实了我们的假设。长期漂移似乎有一个年度周期，可能与相对湿度的季节性变化有关。漂移没有特别的趋势，也不会在几年内累积。
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图 3：使用 SMR3DZ 电阻器在 100 Ω 时 UT-ONE 温度计读数的长期漂移 |
长期漂移结果已向 VPG 箔电阻器现场设计工程师展示，他们建议将 Vishay 箔电阻器 SMR3DZ 模制电阻器替换为 VHP101T 密封电阻器，以进一步提高长期稳定性。我们最初对这种变化非常怀疑，因为假设参考电阻的改进会被可编程增益放大器的漂移所掩盖。尽管如此，我们还是获得了 VHP101T 100 Ω 单元的一个样品用于评估目的。该电阻器安装在一个小的金属外壳中，提供了良好的机械和电气保护。我们现在将其作为检查标准与我们的温度计读数相结合。
该电阻器在两年多的时间里定期重新校准，电阻桥的不确定性优于 1 ppm。图 4 中的结果表明，该特定装置的长期漂移每年小于 1 ppm。
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图 4：Vishay 箔电阻器 VHP101T 100 Ω 密封电阻器的长期漂移 |
VHP101T 电阻器的长期性能给我们留下了深刻的印象，我们决定用 VHP101T 替换我们 UT-ONE 设备之一中的参考电阻器。这至少可以让我们检查可编程增益放大器的漂移，因为在这种情况下，参考电阻的影响可以忽略不计。与我们的假设和预期相反，长期漂移的结果（如图 5 所示）显示出巨大的改进。图 3 和图 5 中的比例相同，以简化比较。长期漂移从每年超过 20 ppm 减少到每年不到 5 ppm。这种改进与所有测试的单元一致。VHP101T 电阻器还具有更好的短期稳定性和组装后更低的初始漂移，这简化了我们的质量控制程序，并使我们对我们的产品充满信心。我们现在只使用 VHP101T 电阻器作为温度计读数的参考，我们甚至改装了大部分现有设备。
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图 5：使用 VHP101T 电阻器在 100 Ω 时 UT-ONE 温度计读数的长期漂移 |
