一種用于熱電阻傳感器校準的新型溫場(chǎng)分析

摘要:目前熱電阻溫度傳感器的校準主要通過(guò)恒溫槽提供溫場(chǎng)，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(lèi)溫場(chǎng)時(shí)，會(huì )造成傳感器和槽液相互污染或需大量時(shí)間使傳感器讀數達到穩定的情況。本文通過(guò)使用內部空間較大的不銹鋼套管替代常規使用的細長(cháng)玻璃套管，并在不銹鋼套管中注滿(mǎn)小銅珠，重新構建一個(gè)到溫速度快且不易污染感器的均勻溫場(chǎng)，并對其在不同校準溫度點(diǎn)的溫度均勻性及溫度波動(dòng)性進(jìn)行研究。實(shí)驗結果顯示，此溫場(chǎng)技術(shù)指標滿(mǎn)足熱電阻傳感器的校準要求。
0引言
      目前，熱電阻傳感器的校準主要依據JJG229－2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規程》。
      而恒溫槽由于波動(dòng)度小，均勻性好，因此被普遍用作熱電阻傳感器校準過(guò)程的恒溫設備。當恒溫槽介質(zhì)為水、硅油等低溫介質(zhì)時(shí)，在校準過(guò)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。當恒溫槽介質(zhì)為工業(yè)鹽時(shí)，通常將感溫元件置于鹽浴恒溫槽中進(jìn)行校準。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(lèi)外觀(guān)不規則的異型熱電阻傳感器。而這兩種校準方法的優(yōu)缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)。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定時(shí)間較長(cháng)。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備,存在升溫過(guò)快,內部鹽塊炸裂的可能性，且其會(huì )產(chǎn)生大量有毒有害的鹽浴廢渣，實(shí)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方法的優(yōu)點(diǎn)于一體的恒溫溫場(chǎng),即一種不會(huì )導致傳感器及槽液互相污染，能提供快速的均勻溫場(chǎng)且適用于多種規格傳感器的溫場(chǎng)就有了重要的實(shí)際意義。本文根據JJF1030-2010《恒溫槽技術(shù)性能測試規范》，5研究了一種用于校準熱電阻傳感器的新型溫場(chǎng)，并通過(guò)試驗數據分析表明其各項技術(shù)指標滿(mǎn)足熱電阻傳感器的校準要求，可用于熱電阻傳感器的校準。
1溫場(chǎng)性能及結構
1.1性能要求
      JIG229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規程》中對校準溫場(chǎng)作了相應規定，具體指標如表1所示。

1.2新型溫場(chǎng)結構
      該新型溫場(chǎng)由恒溫槽及裝滿(mǎn)金屬小圓珠的不銹鋼套管組成?？紤]到導熱系數的高低及成本，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(shí)，先將被校傳感器置于不銹鋼套管中，然后填小銅珠,并置于已設定好溫度的恒溫槽中，待不銹鋼套管內溫場(chǎng)穩定后，此溫場(chǎng)即為校準熱電阻所用溫場(chǎng),隨后即可開(kāi)始進(jìn)行校準。溫場(chǎng)結構示意圖如圖1所示，溫場(chǎng)實(shí)際使用圖如圖2所示。

2溫場(chǎng)測試及試驗數據分析
      溫場(chǎng)性能的測試通?？梢允褂脴藴抒K電阻溫度計及標準玻璃液體溫度計進(jìn)行,本文參考JJF1030-2010《恒溫槽技術(shù)性能測試規范》中的測試方法,5選用標準鉑電阻溫度計對溫場(chǎng)性能進(jìn)行測試。對新型溫場(chǎng)中的水平溫場(chǎng)、垂直溫場(chǎng)、波動(dòng)性等相關(guān)參數指標進(jìn)行了測試。根據JJG229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規程》中的要求及實(shí)際使用需求,測試溫度點(diǎn)為-60℃、0℃、100℃。
2.1工作區域的選擇
      由于新型溫場(chǎng)套管深度達到450mm,浸入液面下深度為420mm,為使校準時(shí)的溫場(chǎng)盡可能的穩定可靠,達到進(jìn)行熱電阻傳感器校準時(shí)的溫場(chǎng)標準，需確定一個(gè)有效的溫場(chǎng)工作區域。且由于工作中需進(jìn)行校準的各類(lèi)熱電阻傳感器長(cháng)短不一，最長(cháng)的熱電阻傳感器可達到100mm,故選取套管底部30mmx30mmx120mm區域作為工作區域。溫場(chǎng)的工作區域如圖3所示。

2.2溫度波動(dòng)性測試
      溫度波動(dòng)性是指溫場(chǎng)工作區域在一定時(shí)間間隔內，溫度變化的范圍。進(jìn)行波動(dòng)性測試時(shí),選取一根二等標準鉑電阻溫度計,將其插入工作區域內1/2深度位置，待恒溫槽第一次達到設定溫度后穩定.10min后進(jìn)行讀數,開(kāi)始讀數時(shí)溫場(chǎng)的實(shí)際溫度(以標準器為準)與測試點(diǎn)溫度偏離不應超過(guò)+0.2℃。每10秒讀取一個(gè)示值，測試過(guò)程持續10分鐘,共讀取60個(gè)示值。測試溫度點(diǎn)為-60℃.0℃、100℃。
2.3溫度均勻性測試
      溫度均勻性是指溫場(chǎng)工作區域內最高溫度與最低溫度之間的差。進(jìn)行均勻性測試時(shí)，選取兩根二等標準鉑電阻溫度計,將一支溫度計作為固定溫度計插入工作區域1/2深度，固定在參考位置0,另一支溫度計作為移動(dòng)溫度計插入工作區域中的上水平面位置,待第一次達到設定溫度后穩定至少10min后進(jìn)行測試。完成上水平面讀數后,將移動(dòng)溫度計插入工作區域中下水平面位置,完成下水平面的測量。開(kāi)始讀數時(shí)，溫場(chǎng)的實(shí)際溫度(以標準器為準)應符合與測試點(diǎn)溫度偏離不超過(guò)+0.2C的要求。讀數順序為固定溫度計-+移動(dòng)溫度計-→移動(dòng)溫度計→固定溫度計-→固定溫度計-→移動(dòng)溫度計-→移動(dòng)溫度計->固定溫度計。依次完成對測試點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G、H的測試，如圖3所示。
2.4試驗數據分析
      溫場(chǎng).上水平面均勻性試驗數據如表2所示。

      根據試驗數據分析可知，此新型溫場(chǎng)在-60℃、0℃、100℃三個(gè)溫度點(diǎn)的水平溫場(chǎng)及垂直溫場(chǎng)不超過(guò)0.010C及0.012C,波動(dòng)性不大于0.012℃/10min。滿(mǎn)足表1中各項指標，即滿(mǎn)足JJG229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規程》中對于溫場(chǎng)的要求。
3不確定度分析
      使用新型:溫場(chǎng)進(jìn)行熱電阻傳感器的校準，對其測量不確定度進(jìn)行分析。校準的不確定度來(lái)源,主要分為兩個(gè)方面，分別為被檢傳感器引入的不確定度及標準器引入的不確定度。
被檢傳感器引入的主要不確定度來(lái)源如下:
(1)測量重復性引入的不確定度u,，計算測量重復性引入的不確定度時(shí)，在各校準溫度點(diǎn)分別測量10次,計算標準差,即為測量重復性引入的標準不確定度。
(2)溫場(chǎng)引入的不確定度ux2
(3)電測設備引入的不確定度ux3
(4)自熱效應引入的不確定度ux4
上述四項的合成標準不確定度為:

標準器引入的主要不確定度來(lái)源如下:
(1)由二等標準鉑電阻復現性引入的示值重復性不確定度uy1。
(2)電測設備引入的不確定度uy2由于此電測設備與測量標準鉑電阻Rtp時(shí)所用設備為同一設備，具有一定相關(guān)性,經(jīng)計算該不確定值為0。
(3)自熱效應引入的不確定度uy3在100℃時(shí)，由于在較高溫介質(zhì)中測量,故自熱效應應忽略不計。
(4)二等標準鉑電阻周期穩定性回引入的不確定度uy4。
上述四項的合成標準不確定度為:

      在獲得被檢傳感器引入的合成標準不確定度ux及標準器引入的合成標準不確定度uy后,各溫度%校準點(diǎn)的校準不確定度如表8所示。

總結
      本文介紹了一種用于校準熱電阻傳感器的新型溫場(chǎng),通過(guò)對新型溫場(chǎng)波動(dòng)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要求，且相較于用于熱電阻傳感器校準的液體恒溫槽溫場(chǎng)及鹽浴恒溫槽溫場(chǎng),其有著(zhù)穩定時(shí)間快,被校傳感器不易受污染且安全的優(yōu)點(diǎn)。并且由于其溫場(chǎng)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。