一种用于热电阻传感器校准的新型温场分析

摘要:目前热电阻温度传感器的校准主要通过恒温槽提供温场，可将传感器直接浸入槽液中，亦可将其置于玻璃套管中插入槽液中。使用此类温场时，会造成传感器和槽液相互污染或需大量时间使传感器读数达到稳定的情况。本文通过使用内部空间较大的不锈钢套管替代常规使用的细长玻璃套管，并在不锈钢套管中注满小铜珠，重新构建一个到温速度快且不易污染感器的均匀温场，并对其在不同校准温度点的温度均匀性及温度波动性进行研究。实验结果显示，此温场技术指标满足热电阻传感器的校准要求。
0引言
      目前，热电阻传感器的校准主要依据JJG229－2010《工业铂、铜热电阻检定规程》。
      而恒温槽由于波动度小，均匀性好，因此被普遍用作热电阻传感器校准过程的恒温设备。当恒温槽介质为水、硅油等低温介质时，在校准过程中常采用将感温元件放置于玻璃试管中，再将玻璃试管插入恒温槽中进行校准。当恒温槽介质为工业盐时，通常将感温元件置于盐浴恒温槽中进行校准。前者，主要针对于保护套管可拆卸的热电阻传感器，后者则主要针对各类外观不规则的异型热电阻传感器。而这两种校准方法的优缺点也显而易见。将感温元件置于玻璃管中保证了热电阻传感器不被恒温槽槽液污染，但适用的热电阻传感器范围较窄且温度稳定时间较长。将感温元件直接置于盐浴恒温槽中适用于大部分热电阻传感器,但盐浴恒温槽本身就是一种较为危险的设备,存在升温过快,内部盐块炸裂的可能性，且其会产生大量有毒有害的盐浴废渣，实际使用中存在较大的安全隐患。[4因此，探索一种集上述两种校准方法的优点于一体的恒温温场,即一种不会导致传感器及槽液互相污染，能提供快速的均匀温场且适用于多种规格传感器的温场就有了重要的实际意义。本文根据JJF1030-2010《恒温槽技术性能测试规范》，5研究了一种用于校准热电阻传感器的新型温场，并通过试验数据分析表明其各项技术指标满足热电阻传感器的校准要求，可用于热电阻传感器的校准。
1温场性能及结构
1.1性能要求
      JIG229-2010《工业铂、铜热电阻检定规程》中对校准温场作了相应规定，具体指标如表1所示。

1.2新型温场结构
      该新型温场由恒温槽及装满金属小圆珠的不锈钢套管组成。考虑到导热系数的高低及成本，此处选用小铜珠，小铜珠的直径为3mm。不锈钢套管外形尺寸约为30mmx30mmx450mm,浸入液面以下尺寸约为30mmx30mmx420mm。使用时，先将被校传感器置于不锈钢套管中，然后填小铜珠,并置于已设定好温度的恒温槽中，待不锈钢套管内温场稳定后，此温场即为校准热电阻所用温场,随后即可开始进行校准。温场结构示意图如图1所示，温场实际使用图如图2所示。

2温场测试及试验数据分析
      温场性能的测试通常可以使用标准铂电阻温度计及标准玻璃液体温度计进行,本文参考JJF1030-2010《恒温槽技术性能测试规范》中的测试方法,5选用标准铂电阻温度计对温场性能进行测试。对新型温场中的水平温场、垂直温场、波动性等相关参数指标进行了测试。根据JJG229-2010《工业铂、铜热电阻检定规程》中的要求及实际使用需求,测试温度点为-60℃、0℃、100℃。
2.1工作区域的选择
      由于新型温场套管深度达到450mm,浸入液面下深度为420mm,为使校准时的温场尽可能的稳定可靠,达到进行热电阻传感器校准时的温场标准，需确定一个有效的温场工作区域。且由于工作中需进行校准的各类热电阻传感器长短不一，最长的热电阻传感器可达到100mm,故选取套管底部30mmx30mmx120mm区域作为工作区域。温场的工作区域如图3所示。

2.2温度波动性测试
      温度波动性是指温场工作区域在一定时间间隔内，温度变化的范围。进行波动性测试时,选取一根二等标准铂电阻温度计,将其插入工作区域内1/2深度位置，待恒温槽第一次达到设定温度后稳定.10min后进行读数,开始读数时温场的实际温度(以标准器为准)与测试点温度偏离不应超过+0.2℃。每10秒读取一个示值，测试过程持续10分钟,共读取60个示值。测试温度点为-60℃.0℃、100℃。
2.3温度均匀性测试
      温度均匀性是指温场工作区域内最高温度与最低温度之间的差。进行均匀性测试时，选取两根二等标准铂电阻温度计,将一支温度计作为固定温度计插入工作区域1/2深度，固定在参考位置0,另一支温度计作为移动温度计插入工作区域中的上水平面位置,待第一次达到设定温度后稳定至少10min后进行测试。完成上水平面读数后,将移动温度计插入工作区域中下水平面位置,完成下水平面的测量。开始读数时，温场的实际温度(以标准器为准)应符合与测试点温度偏离不超过+0.2C的要求。读数顺序为固定温度计-+移动温度计-→移动温度计→固定温度计-→固定温度计-→移动温度计-→移动温度计->固定温度计。依次完成对测试点A、B、C、D、E、F、G、H的测试，如图3所示。
2.4试验数据分析
      温场.上水平面均匀性试验数据如表2所示。

      根据试验数据分析可知，此新型温场在-60℃、0℃、100℃三个温度点的水平温场及垂直温场不超过0.010C及0.012C,波动性不大于0.012℃/10min。满足表1中各项指标，即满足JJG229-2010《工业铂、铜热电阻检定规程》中对于温场的要求。
3不确定度分析
      使用新型:温场进行热电阻传感器的校准，对其测量不确定度进行分析。校准的不确定度来源,主要分为两个方面，分别为被检传感器引入的不确定度及标准器引入的不确定度。
被检传感器引入的主要不确定度来源如下:
(1)测量重复性引入的不确定度u,，计算测量重复性引入的不确定度时，在各校准温度点分别测量10次,计算标准差,即为测量重复性引入的标准不确定度。
(2)温场引入的不确定度ux2
(3)电测设备引入的不确定度ux3
(4)自热效应引入的不确定度ux4
上述四项的合成标准不确定度为:

标准器引入的主要不确定度来源如下:
(1)由二等标准铂电阻复现性引入的示值重复性不确定度uy1。
(2)电测设备引入的不确定度uy2由于此电测设备与测量标准铂电阻Rtp时所用设备为同一设备，具有一定相关性,经计算该不确定值为0。
(3)自热效应引入的不确定度uy3在100℃时，由于在较高温介质中测量,故自热效应应忽略不计。
(4)二等标准铂电阻周期稳定性回引入的不确定度uy4。
上述四项的合成标准不确定度为:

      在获得被检传感器引入的合成标准不确定度ux及标准器引入的合成标准不确定度uy后,各温度%校准点的校准不确定度如表8所示。

总结
      本文介绍了一种用于校准热电阻传感器的新型温场,通过对新型温场波动性及均匀性的研究，可以看出其完全符合热电阻传感器的校准要求，且相较于用于热电阻传感器校准的液体恒温槽温场及盐浴恒温槽温场,其有着稳定时间快,被校传感器不易受污染且安全的优点。并且由于其温场口径较大，可以适用于大部分尺寸各异的异型热电阻传感器的校准。