一種用于熱電阻傳感器校準(zhǔn)的新型溫場分析

摘要:目前熱電阻溫度傳感器的校準(zhǔn)主要通過恒溫槽提供溫場，可將傳感器直接浸入槽液中，亦可將其置于玻璃套管中插入槽液中。使用此類溫場時，會造成傳感器和槽液相互污染或需大量時間使傳感器讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定的情況。本文通過使用內(nèi)部空間較大的不銹鋼套管替代常規(guī)使用的細(xì)長玻璃套管，并在不銹鋼套管中注滿小銅珠，重新構(gòu)建一個到溫速度快且不易污染感器的均勻溫場，并對其在不同校準(zhǔn)溫度點的溫度均勻性及溫度波動性進(jìn)行研究。實驗結(jié)果顯示，此溫場技術(shù)指標(biāo)滿足熱電阻傳感器的校準(zhǔn)要求。
0引言
      目前，熱電阻傳感器的校準(zhǔn)主要依據(jù)JJG229－2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》。
      而恒溫槽由于波動度小，均勻性好，因此被普遍用作熱電阻傳感器校準(zhǔn)過程的恒溫設(shè)備。當(dāng)恒溫槽介質(zhì)為水、硅油等低溫介質(zhì)時，在校準(zhǔn)過程中常采用將感溫元件放置于玻璃試管中，再將玻璃試管插入恒溫槽中進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)恒溫槽介質(zhì)為工業(yè)鹽時，通常將感溫元件置于鹽浴恒溫槽中進(jìn)行校準(zhǔn)。前者，主要針對于保護套管可拆卸的熱電阻傳感器，后者則主要針對各類外觀不規(guī)則的異型熱電阻傳感器。而這兩種校準(zhǔn)方法的優(yōu)缺點也顯而易見。將感溫元件置于玻璃管中保證了熱電阻傳感器不被恒溫槽槽液污染，但適用的熱電阻傳感器范圍較窄且溫度穩(wěn)定時間較長。將感溫元件直接置于鹽浴恒溫槽中適用于大部分熱電阻傳感器,但鹽浴恒溫槽本身就是一種較為危險的設(shè)備,存在升溫過快,內(nèi)部鹽塊炸裂的可能性，且其會產(chǎn)生大量有毒有害的鹽浴廢渣，實際使用中存在較大的安全隱患。[4因此，探索一種集上述兩種校準(zhǔn)方法的優(yōu)點于一體的恒溫溫場,即一種不會導(dǎo)致傳感器及槽液互相污染，能提供快速的均勻溫場且適用于多種規(guī)格傳感器的溫場就有了重要的實際意義。本文根據(jù)JJF1030-2010《恒溫槽技術(shù)性能測試規(guī)范》，5研究了一種用于校準(zhǔn)熱電阻傳感器的新型溫場，并通過試驗數(shù)據(jù)分析表明其各項技術(shù)指標(biāo)滿足熱電阻傳感器的校準(zhǔn)要求，可用于熱電阻傳感器的校準(zhǔn)。
1溫場性能及結(jié)構(gòu)
1.1性能要求
      JIG229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》中對校準(zhǔn)溫場作了相應(yīng)規(guī)定，具體指標(biāo)如表1所示。

1.2新型溫場結(jié)構(gòu)
      該新型溫場由恒溫槽及裝滿金屬小圓珠的不銹鋼套管組成。考慮到導(dǎo)熱系數(shù)的高低及成本，此處選用小銅珠，小銅珠的直徑為3mm。不銹鋼套管外形尺寸約為30mmx30mmx450mm,浸入液面以下尺寸約為30mmx30mmx420mm。使用時，先將被校傳感器置于不銹鋼套管中，然后填小銅珠,并置于已設(shè)定好溫度的恒溫槽中，待不銹鋼套管內(nèi)溫場穩(wěn)定后，此溫場即為校準(zhǔn)熱電阻所用溫場,隨后即可開始進(jìn)行校準(zhǔn)。溫場結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，溫場實際使用圖如圖2所示。

2溫場測試及試驗數(shù)據(jù)分析
      溫場性能的測試通常可以使用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計及標(biāo)準(zhǔn)玻璃液體溫度計進(jìn)行,本文參考JJF1030-2010《恒溫槽技術(shù)性能測試規(guī)范》中的測試方法,5選用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計對溫場性能進(jìn)行測試。對新型溫場中的水平溫場、垂直溫場、波動性等相關(guān)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試。根據(jù)JJG229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》中的要求及實際使用需求,測試溫度點為-60℃、0℃、100℃。
2.1工作區(qū)域的選擇
      由于新型溫場套管深度達(dá)到450mm,浸入液面下深度為420mm,為使校準(zhǔn)時的溫場盡可能的穩(wěn)定可靠,達(dá)到進(jìn)行熱電阻傳感器校準(zhǔn)時的溫場標(biāo)準(zhǔn)，需確定一個有效的溫場工作區(qū)域。且由于工作中需進(jìn)行校準(zhǔn)的各類熱電阻傳感器長短不一，最長的熱電阻傳感器可達(dá)到100mm,故選取套管底部30mmx30mmx120mm區(qū)域作為工作區(qū)域。溫場的工作區(qū)域如圖3所示。

2.2溫度波動性測試
      溫度波動性是指溫場工作區(qū)域在一定時間間隔內(nèi)，溫度變化的范圍。進(jìn)行波動性測試時,選取一根二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計,將其插入工作區(qū)域內(nèi)1/2深度位置，待恒溫槽第一次達(dá)到設(shè)定溫度后穩(wěn)定.10min后進(jìn)行讀數(shù),開始讀數(shù)時溫場的實際溫度(以標(biāo)準(zhǔn)器為準(zhǔn))與測試點溫度偏離不應(yīng)超過+0.2℃。每10秒讀取一個示值，測試過程持續(xù)10分鐘,共讀取60個示值。測試溫度點為-60℃.0℃、100℃。
2.3溫度均勻性測試
      溫度均勻性是指溫場工作區(qū)域內(nèi)最高溫度與最低溫度之間的差。進(jìn)行均勻性測試時，選取兩根二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計,將一支溫度計作為固定溫度計插入工作區(qū)域1/2深度，固定在參考位置0,另一支溫度計作為移動溫度計插入工作區(qū)域中的上水平面位置,待第一次達(dá)到設(shè)定溫度后穩(wěn)定至少10min后進(jìn)行測試。完成上水平面讀數(shù)后,將移動溫度計插入工作區(qū)域中下水平面位置,完成下水平面的測量。開始讀數(shù)時，溫場的實際溫度(以標(biāo)準(zhǔn)器為準(zhǔn))應(yīng)符合與測試點溫度偏離不超過+0.2C的要求。讀數(shù)順序為固定溫度計-+移動溫度計-→移動溫度計→固定溫度計-→固定溫度計-→移動溫度計-→移動溫度計->固定溫度計。依次完成對測試點A、B、C、D、E、F、G、H的測試，如圖3所示。
2.4試驗數(shù)據(jù)分析
      溫場.上水平面均勻性試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

      根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可知，此新型溫場在-60℃、0℃、100℃三個溫度點的水平溫場及垂直溫場不超過0.010C及0.012C,波動性不大于0.012℃/10min。滿足表1中各項指標(biāo)，即滿足JJG229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》中對于溫場的要求。
3不確定度分析
      使用新型:溫場進(jìn)行熱電阻傳感器的校準(zhǔn)，對其測量不確定度進(jìn)行分析。校準(zhǔn)的不確定度來源,主要分為兩個方面，分別為被檢傳感器引入的不確定度及標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度。
被檢傳感器引入的主要不確定度來源如下:
(1)測量重復(fù)性引入的不確定度u,，計算測量重復(fù)性引入的不確定度時，在各校準(zhǔn)溫度點分別測量10次,計算標(biāo)準(zhǔn)差,即為測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。
(2)溫場引入的不確定度ux2
(3)電測設(shè)備引入的不確定度ux3
(4)自熱效應(yīng)引入的不確定度ux4
上述四項的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

標(biāo)準(zhǔn)器引入的主要不確定度來源如下:
(1)由二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻復(fù)現(xiàn)性引入的示值重復(fù)性不確定度uy1。
(2)電測設(shè)備引入的不確定度uy2由于此電測設(shè)備與測量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rtp時所用設(shè)備為同一設(shè)備，具有一定相關(guān)性,經(jīng)計算該不確定值為0。
(3)自熱效應(yīng)引入的不確定度uy3在100℃時，由于在較高溫介質(zhì)中測量,故自熱效應(yīng)應(yīng)忽略不計。
(4)二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻周期穩(wěn)定性回引入的不確定度uy4。
上述四項的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

      在獲得被檢傳感器引入的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ux及標(biāo)準(zhǔn)器引入的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uy后,各溫度%校準(zhǔn)點的校準(zhǔn)不確定度如表8所示。

總結(jié)
      本文介紹了一種用于校準(zhǔn)熱電阻傳感器的新型溫場,通過對新型溫場波動性及均勻性的研究，可以看出其完全符合熱電阻傳感器的校準(zhǔn)要求，且相較于用于熱電阻傳感器校準(zhǔn)的液體恒溫槽溫場及鹽浴恒溫槽溫場,其有著穩(wěn)定時間快,被校傳感器不易受污染且安全的優(yōu)點。并且由于其溫場口徑較大，可以適用于大部分尺寸各異的異型熱電阻傳感器的校準(zhǔn)。