烙鐵溫度計校準裝置

紀金龍 / 廈門市計量檢定測試院

烙鐵溫度計校準裝置

紀金龍 / 廈門市計量檢定測試院

介紹了烙鐵溫度計的工作原理、用途及其校準現(xiàn)狀和校準方法，提出一種智能化、高準確度烙鐵溫度計校準裝置的研制思路。該校準裝置主要由恒溫腔及其加熱系統(tǒng)、機械臂智能按壓系統(tǒng)、高精密溫度測量系統(tǒng)組成。本文重點討論了智能按壓系統(tǒng)及標準溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計思路和實現(xiàn)方式。該研究成果可有效提高烙鐵溫度計的校準效率和準確性。

烙鐵溫度計；校準裝置；恒溫體；AI-5600高精密數(shù)字溫度計

0 引言

隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，對焊接工藝的要求越來越高。為保證被焊接元器件的安全可靠和性能穩(wěn)定，必須根據(jù)不同元件材料和生產(chǎn)工藝對電烙鐵焊嘴溫度進行嚴格控制，溫度過高或者過低均會對焊接質(zhì)量，特別是對焊接的長期可靠性產(chǎn)生一定影響。實際焊接工作中，特別是在高端電子產(chǎn)品行業(yè)，生產(chǎn)現(xiàn)場大量使用烙鐵溫度計，用于監(jiān)測電烙鐵焊頭的溫度，以判斷電烙鐵是否保持正常工作狀態(tài)。因此，為保證被焊接器件的性能安全可靠，確保實時準確地監(jiān)控電烙鐵焊嘴溫度，需要對烙鐵溫度計的溫度測量性能進行定期校準。

1 烙鐵溫度計的校準現(xiàn)狀

烙鐵溫度計是一種用于校準或測試電烙鐵焊嘴溫度的重要計量儀器，通常由溫度傳感器、信號處理電路和溫度顯示單元組成，其工作原理如下：烙鐵溫度計的溫度傳感器感受來自電烙鐵焊嘴的瞬時溫度，迅速產(chǎn)生溫差熱電動勢，其溫度測量電路根據(jù)測得的熱電動勢實時顯示電烙鐵焊嘴當前溫度。

測量時，電烙鐵焊嘴須緊密接觸溫度傳感器，見圖1。烙鐵溫度計的準確度等級一般為1.0級，分辨力為1 ℃，測量范圍一般是0～600 ℃，常見的有國內(nèi)快客電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)的QUICK 191A型和日本白光公司生產(chǎn)的HAKKO FG-100型兩種產(chǎn)品，主要性能參見表1。

圖1 用于測量電烙鐵焊嘴溫度的烙鐵溫度計

圖2 溫度傳感器

表1 兩種烙鐵溫度計的技術(shù)參數(shù)

對于烙鐵溫度計的校準，至今還沒有制定國家計量校準規(guī)范，也沒有相應(yīng)的標準器和校準裝置。目前，校準工作主要參考JJG 617-1996《數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀》[1]。這種方法僅僅對烙鐵溫度計的溫度指示部分進行校準，而沒有對烙鐵溫度計的溫度傳感器進行校準，無法實現(xiàn)烙鐵溫度計的全面校準。

烙鐵溫度計的傳感器感溫部分為K型熱電偶，呈星形狀，利用三個對稱角把感溫頭鑲嵌在儀表右下側(cè)的凹槽內(nèi)，其中感溫頭直徑不足2 mm，端面面積小于4 mm2，且引線長度不超過10 mm，見圖2。由于感溫頭小，難以對它進行準確校準。以工業(yè)I級K 型熱電偶為例，在300 ℃時的最大允許誤差約為±1.2 ℃，因此忽略溫度傳感器部分的誤差必然造成烙鐵溫度計監(jiān)控電烙鐵時產(chǎn)生溫度偏差。為此本文根據(jù)2015年發(fā)布的《烙鐵溫度計校準規(guī)范征求意見稿》要求，設(shè)計了一種智能化、高準確度的烙鐵溫度計校準裝置，以實現(xiàn)對儀器示值誤差的準確校準，及時滿足企業(yè)的計量需求。

2 烙鐵溫度計校準裝置

2.1 研究進展

國內(nèi)外針對烙鐵溫度計校準裝置開展的研究仍鮮見報道，市場上還未有該類產(chǎn)品。目前只有浙江省計量科學(xué)研究院有該方面的研究，其方案為采用模擬烙鐵焊嘴的恒溫腔結(jié)構(gòu)提供恒定溫度源[2]。這種模擬標準電烙鐵結(jié)構(gòu)的手持式恒溫源，由于其工作表面與烙鐵溫度計感溫頭的接觸情況對溫度影響很大，校準人員引入的人為誤差較大，校準重復(fù)性差，可操作性不強。本文通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用機械臂智能按壓的方式消除人為誤差，并引入本單位自行研發(fā)的AI-5600高精密溫度測量系統(tǒng)進行溫度測量，以提高校準的效率和準確性。

2.2 校準裝置結(jié)構(gòu)

該校準裝置主要由恒溫腔及其加熱系統(tǒng)、機械臂智能按壓系統(tǒng)、高精密溫度測量系統(tǒng)組成。原理如下：溫度控制系統(tǒng)對恒溫腔頭內(nèi)的熱電偶溫度傳感器進行實時溫度測量，通過比較電路將輸出信號反饋至加熱系統(tǒng)，啟動加熱系統(tǒng)工作，直至恒溫腔頭達到預(yù)定的恒溫溫度；通過機械臂的智能按壓，將恒溫腔頭與烙鐵溫度計的溫度傳感器壓緊；AI-5600高精密數(shù)字溫度計實時精密測量恒溫腔頭溫度，以此作為校準的參考溫度。通過合理的恒溫腔結(jié)構(gòu)設(shè)計[3]（見圖3）保持工作表面的溫度可控且穩(wěn)定，并具有一定帶載能力，以克服溫度瞬變問題，滿足校準工作要求。

圖3 恒溫腔結(jié)構(gòu)

恒溫腔采用圓柱型的高純度紫銅制作，并將恒溫腔頭設(shè)計成凸字形，以使恒溫體和感溫頭緊密接觸；恒溫腔內(nèi)部采用PTC熱敏電阻（PTCR）加熱體，其升溫迅速、功耗小，且具有良好的恒溫特性；恒溫腔的外部包裹云母片保溫材料，以減少環(huán)境溫度波動的影響；智能按壓系統(tǒng)保證了校準時的按壓緊實且不破壞感溫頭；AI-5600標準溫度傳感器內(nèi)置于恒溫腔頭，可實時檢測溫度變化。

2.3 智能按壓系統(tǒng)

機器臂具有高效率、高可靠性、低勞動強度等特點，在各領(lǐng)域都得到了迅速發(fā)展。機械臂結(jié)構(gòu)如圖4所示，裝置具有三個自由度（前后X軸，左右Y軸，上下Z軸），恒溫體集成于Z軸機械臂上。利用PLC（可編程邏輯控制器）將恒溫體運行到所需按壓的點位，對準并記錄下此點位的位置。PLC是機械臂控制的核心，采用歐姆龍CP1E-N30DT-A型小型PLC，可以控制10個點以上。通過定制裝置平臺的烙鐵溫度計標準夾具組，可以實現(xiàn)批量校準，提高效率。

圖4 機械臂結(jié)構(gòu)

校準時將被校準烙鐵溫度計固定于XY平面的標準夾具上，通過直線導(dǎo)軌、標準滑塊和微型汽缸控制機械臂的標準按壓動作。微型汽缸采用氣源控制，氣體先后通過過濾減壓閥和精密減壓閥，保證壓力的平穩(wěn)輸出，并接微壓表對按壓動作進行監(jiān)測和控制。

2.4 標準溫度測量系統(tǒng)

紫銅恒溫體具有很好的導(dǎo)熱性，其準確度主要由溫度傳感器的測量準確度決定。裝置的標準溫度測量系統(tǒng)采用了自行研發(fā)的AI-5600高精密數(shù)字溫度計作為標準溫度計，以Pt100作溫度傳感器，引入多點修正和參數(shù)整定，按PID控制方式對恒溫腔頭進行實時準確測量，通過溫度比對保證校準溫度的準確可靠，并作為校準時的參考溫度。

AI-5600型高精度數(shù)字溫度計基于24位AD轉(zhuǎn)換器和16位單片機設(shè)計，具有高準確度、高穩(wěn)定性等特點，最高分辨力為0.001 ℃，最高準確度等級達到0.02級或最大誤差在±0.01 ℃范圍內(nèi)。標準溫度計可以獨立配置15個校正記錄，每個記錄有30點校正數(shù)據(jù)，通過軟件校正，消除包括傳感器在內(nèi)的儀表整體固有誤差。儀表的多點修正是采用標準值校正法，以二等標準水銀溫度計或二等標準鉑電阻溫度計作為標準儀器，從50～600 ℃每隔50 ℃測出標準溫度計在每個溫度點上的修正值，并保存校正結(jié)果，結(jié)果見表2。使用時，儀表的顯示值會根據(jù)校正記錄自動進行修正。

表2 多點修正實驗結(jié)果

AI-5600型高精度數(shù)字溫度計的整體修正值是采用電量單位線性內(nèi)插計算的，參見圖5。對于溫度傳感器，由于存在電量與溫度的非線性關(guān)系，使得溫度單位的修正結(jié)果不會完全等于電量單位的修正結(jié)果，但這種差別應(yīng)該是在允許范圍內(nèi)。

圖5 AI-5600型高精度數(shù)字溫度計的多點校正

圖5中的x點修正公式如下：

修正后儀表的顯示值x為x =x*+ c

式中：x*——沒有任何修正時的純原始示值；

c——根據(jù)儀表內(nèi)校正記錄所計算的修正值

AI-5600本身具有很高的穩(wěn)定性，只要所匹配的傳感器穩(wěn)定性也很高，則整體誤差就會很小。因此，選擇采用AI-5600型高精度數(shù)字溫度計作為標準溫度計，將Pt100溫度傳感器內(nèi)置于恒溫腔頭，測得的溫度讀數(shù)作為校準時的參考溫度，實現(xiàn)了烙鐵溫度計的準確校準。

3 結(jié)語

烙鐵溫度計的校準采用表面溫度接觸式測量方法，主要受恒溫源表面性能、環(huán)境狀況以及人工操作的影響。本文通過合理設(shè)計的高精度表面恒溫源，可以有效地對烙鐵溫度計的誤差進行校準。其中恒溫腔頭采用凸式結(jié)構(gòu)紫銅恒溫塊，恒溫腔外圍以保溫材料包裹，有效減小了表面性能和環(huán)境溫度變化引入的測量誤差；通過智能機械臂的標準化按壓操作，有效減少了由于人工手持操作引起的按壓壓力和角度不確定引入的誤差；通過AI-5600高準確度溫度測量系統(tǒng)對恒溫腔頭進行實時準確測量，為烙鐵溫度計的校準提供可靠的標準參考溫度，保證了校準的準確性。

[1]王志明.烙鐵溫度計校準方法的探討[J].計量技術(shù)，2012，（1）：56-57.

[2]余時帆，潘子升.烙鐵溫度計校準裝置的研究[J].計量技術(shù)，2009，（1）：56-58.

[3]姜華，萬輝，殳偉群.高精度溫度測量儀[J].自動化博覽，2005（S2）：88-92.

Calibration device for iron thermometers

Ji Jinlong
（Xiamen Institute of Measurement and Testing）

The paper introduces the working principle, use, calibration status and calibration methods of iron thermometer, and presents the research idea of an intelligent and high-precision calibration device.The paper emphatically discusses the design and development of the intelligent compression system and the standard temperature measurement system.The research results could effectively improve the calibration efficiency and accuracy of iron thermometers.

iron thermometer; calibration device; constant temperature chamber; AI-5600 high-precision digital thermometer