一種用于熱電阻傳感器校準的新型溫場分析

摘要:目前熱電阻溫度傳感器的校準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達到穩定的情況。本文通過使用內部空間較大的不銹鋼套管替代常規使用的細長玻璃套管，并在不銹鋼套管中注滿小銅珠，重新構建一個到溫速度快且不易污染感器的均勻溫場，并對其在不同校準溫度點的溫度均勻性及溫度波動性進行研究。實驗結果顯示，此溫場技術指標滿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《工業鉑、銅熱電阻檢定規程》。
      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過程的恒溫設備。當恒溫槽介質為水、硅油等低溫介質時，在校準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行校準。當恒溫槽介質為工業鹽時，通常將感溫元件置于鹽浴恒溫槽中進行校準。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外觀不規則的異型熱電阻傳感器。而這兩種校準方法的優缺點也顯而易見。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備,存在升溫過快,內部鹽塊炸裂的可能性，且其會產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方法的優點于一體的恒溫溫場,即一種不會導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格傳感器的溫場就有了重要的實際意義。本文根據JJF1030-2010《恒溫槽技術性能測試規范》，5研究了一種用于校準熱電阻傳感器的新型溫場，并通過試驗數據分析表明其各項技術指標滿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溫場性能及結構
1.1性能要求
      JIG229-2010《工業鉑、銅熱電阻檢定規程》中對校準溫場作了相應規定，具體指標如表1所示。

1.2新型溫場結構
      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，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穩定后，此溫場即為校準熱電阻所用溫場,隨后即可開始進行校準。溫場結構示意圖如圖1所示，溫場實際使用圖如圖2所示。

2溫場測試及試驗數據分析
      溫場性能的測試通常可以使用標準鉑電阻溫度計及標準玻璃液體溫度計進行,本文參考JJF1030-2010《恒溫槽技術性能測試規范》中的測試方法,5選用標準鉑電阻溫度計對溫場性能進行測試。對新型溫場中的水平溫場、垂直溫場、波動性等相關參數指標進行了測試。根據JJG229-2010《工業鉑、銅熱電阻檢定規程》中的要求及實際使用需求,測試溫度點為-60℃、0℃、100℃。
2.1工作區域的選擇
      由于新型溫場套管深度達到450mm,浸入液面下深度為420mm,為使校準時的溫場盡可能的穩定可靠,達到進行熱電阻傳感器校準時的溫場標準，需確定一個有效的溫場工作區域。且由于工作中需進行校準的各類熱電阻傳感器長短不一，最長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。溫場的工作區域如圖3所示。

2.2溫度波動性測試
      溫度波動性是指溫場工作區域在一定時間間隔內，溫度變化的范圍。進行波動性測試時,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后進行讀數,開始讀數時溫場的實際溫度(以標準器為準)與測試點溫度偏離不應超過+0.2℃。每10秒讀取一個示值，測試過程持續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域內最高溫度與最低溫度之間的差。進行均勻性測試時，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后進行測試。完成上水平面讀數后,將移動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。開始讀數時，溫場的實際溫度(以標準器為準)應符合與測試點溫度偏離不超過+0.2C的要求。讀數順序為固定溫度計-+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試驗數據分析
      溫場.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，即滿足JJG229-2010《工業鉑、銅熱電阻檢定規程》中對于溫場的要求。
3不確定度分析
      使用新型:溫場進行熱電阻傳感器的校準，對其測量不確定度進行分析。校準的不確定度來源,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準器引入的不確定度。
被檢傳感器引入的主要不確定度來源如下:
(1)測量重復性引入的不確定度u,，計算測量重復性引入的不確定度時，在各校準溫度點分別測量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時所用設備為同一設備，具有一定相關性,經計算該不確定值為0。
(3)自熱效應引入的不確定度uy3在100℃時，由于在較高溫介質中測量,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,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要求，且相較于用于熱電阻傳感器校準的液體恒溫槽溫場及鹽浴恒溫槽溫場,其有著穩定時間快,被校傳感器不易受污染且安全的優點。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。