新型表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)與工作性能分析

魏 群，林 軍，陳海凌

（1福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350001）

（291370部隊(duì)計(jì)量站，福建 福州 350015）

1 引言

接觸式表面溫度計(jì)（以下簡稱“表面溫度計(jì)”）廣泛應(yīng)用于對固體表面溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量的場合。隨著各應(yīng)用行業(yè)的發(fā)展，表面溫度計(jì)的校準(zhǔn)需求逐年增加，對表面溫度計(jì)的校準(zhǔn)工作效率要求也越來越高。針對現(xiàn)有表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置大多采用按鍵加LCD或數(shù)碼管顯示控制，參數(shù)設(shè)置操作復(fù)雜，人工生成記錄證書速度慢的情況，設(shè)計(jì)一款新型表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置，在實(shí)現(xiàn)較高溫場穩(wěn)定性、均勻性精度的同時(shí)，提供了工作參數(shù)圖形化設(shè)置、工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、溫度自動(dòng)控制等功能，有效提升了表面溫度計(jì)校準(zhǔn)工作效率。

2 裝置的整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置，包括溫度控制顯示系統(tǒng)和表面溫源兩部分。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

溫度控制顯示系統(tǒng)主要由控制機(jī)箱1、觸控屏2、控制用鉑電阻溫度計(jì)3組成，用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、監(jiān)控表面熱源溫度、記錄實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1 表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖

表面溫源系統(tǒng)主要由表面熱板4、溫度計(jì)測溫孔5、控制器測溫孔6，以及熱源機(jī)箱7等組成，用于提供表面溫度計(jì)校準(zhǔn)所需的測溫環(huán)境。裝置外形圖如圖2所示。

圖2 裝置外形圖

圖3 系統(tǒng)組成示意圖

裝置的系統(tǒng)組成如圖3所示。熱源機(jī)箱由控溫電路、加熱回路、制冷回路、表面熱板和溫度計(jì)安裝孔組成。控溫電路、加熱回路和制冷回路用于控制表面熱板的輸出溫度。機(jī)箱正面設(shè)置1個(gè)溫度計(jì)安裝孔，機(jī)箱側(cè)面橫向設(shè)置5個(gè)溫度計(jì)安裝孔，可用于放置為控制器提供標(biāo)準(zhǔn)溫度信號的AA級鉑電阻溫度計(jì)，或用于放置需要校準(zhǔn)的鉑電阻溫度計(jì)。通過使用表面熱板和溫度計(jì)安裝孔，能滿足表面溫度計(jì)或鉑電阻溫度計(jì)等不同類型溫度計(jì)的校準(zhǔn)需求。

該裝置表面溫源的結(jié)構(gòu)如圖4所示。分為保溫層、加熱層和工作層三部分。工作層材料為紫銅，工作層、加熱層與保溫層均采用鏤空板結(jié)構(gòu)，在充分減輕整機(jī)質(zhì)量的同時(shí)，利用空氣的保溫性能實(shí)現(xiàn)各層以及各層之間的控溫穩(wěn)定，工作面為邊長為130mm的正方形。

圖4 表面溫源結(jié)構(gòu)示意圖

3 控溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控溫系統(tǒng)是表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。裝置分別設(shè)計(jì)了如圖5至圖9所示的控溫系統(tǒng)界面。

圖5 系統(tǒng)初始狀態(tài)

圖6 參數(shù)設(shè)置

圖7 PID參數(shù)設(shè)置

圖8 溫度修正值設(shè)置

圖9 溫度狀態(tài)變化曲線顯示

圖10 控溫系統(tǒng)軟件流程圖

控溫系統(tǒng)的軟件流程圖如圖10所示。

系統(tǒng)操作的一般過程為：打開電源開關(guān)，系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行初始化，調(diào)入之前設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)入初始工作界面。當(dāng)觸摸“參數(shù)設(shè)置”“曲線”“置零”等相應(yīng)功能模塊時(shí)，進(jìn)入相應(yīng)的功能界面。

當(dāng)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置模塊時(shí)，顯示參數(shù)設(shè)置界面，可以進(jìn)行溫度穩(wěn)定度、溫度穩(wěn)定時(shí)間、控制PID參數(shù)設(shè)置、溫度修正值設(shè)置等不同操作。系統(tǒng)將記錄下最近一次的參數(shù)設(shè)定值，并于下一次開機(jī)時(shí)自動(dòng)調(diào)入。

當(dāng)在初始界面觸摸設(shè)定值下的數(shù)值框時(shí)，能夠輸入校準(zhǔn)需要的溫度數(shù)值，確認(rèn)后，系統(tǒng)溫度控制回路開始工作，通過安裝的AA級鉑電阻溫度計(jì)，得到實(shí)時(shí)的熱板溫度信息，直至系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的溫度值，并達(dá)到設(shè)定的溫度穩(wěn)定時(shí)間后，系統(tǒng)計(jì)入待機(jī)狀態(tài)，等待輸入下一個(gè)溫度數(shù)值。

圖11 溫度測量與控制功能程序流程圖

圖12 RS232串口引腳示意圖

當(dāng)完成所有溫度測量點(diǎn)的測試工作后，點(diǎn)擊“置零”功能，系統(tǒng)將停止溫度控制回路的工作。而觸屏仍處于工作狀態(tài)，可以進(jìn)行其他任何操作。只要不寫入溫度，設(shè)備將一直處于待機(jī)狀態(tài)。

3.1 熱源面輻射溫度測量與控制

熱源工作面的溫度通過標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測量后傳輸至控制器，由控制器根據(jù)得到的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整控溫回路的工作狀態(tài)，最終獲得校準(zhǔn)需要的溫度值。由于控溫傳感器的固有誤差和控制器的精度會(huì)造成控制溫度顯示值和實(shí)際值產(chǎn)生一定的偏差，為使得兩者數(shù)值接近，利用溫度整定功能能夠提高溫度控制的準(zhǔn)確度。

即利用高精度標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的溫度值與實(shí)際控制溫度的差值，調(diào)整溫度顯示值。

圖11為完成溫度測量與控制功能的程序流程圖。

3.2 通訊控制協(xié)議

為實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)記錄證書的自動(dòng)處理，本裝置采用RS232口與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的通訊功能。接口引腳如圖12所示。

圖13 通訊控制程序流程圖

其中本地串口插頭引腳為2、3、5；PC機(jī)串口插頭引腳為2、3、5，2、3腳交叉，5腳直通。

設(shè)置通訊信號的波特率為9600，8N1。

圖13為通訊控制程序流程圖。

4 裝置的技術(shù)特性

該表面溫度校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)的分辨率為0.1℃，可以提供溫度范圍（50～400）℃的均勻溫場。為保證測試過程中溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使用直徑為Ф30mm、測量分辨力為的高精度自重式表面溫度傳感器，配備分辨力精度為0.1℃的高精度手持式測試儀表，作為驗(yàn)證溫源溫度的測量設(shè)備。

圖14 裝置表面溫度性能測試點(diǎn)示意圖

測試點(diǎn)布置示意圖如圖14所示，測試區(qū)域是以裝置熱板工作面中心點(diǎn)為圓點(diǎn)，直徑為Ф100mm的圓。測試方法參照J(rèn)JF 1409-203《表面溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》附錄中推薦的“表面溫度源控溫穩(wěn)定性及溫度均勻性測量方法”。

由于每次測試過程中，都需要將自重式表面溫度傳感器放置在測試點(diǎn)的操作，由于自重式傳感器與表面熱源可能存在溫度差，讀取測試數(shù)據(jù)均為表面熱源達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行。

4.1 溫場均勻性

JJF 1409-203《表面溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定溫源的溫場穩(wěn)定性，在室溫至100℃時(shí)，應(yīng)≤0.5℃；在（100～300）℃時(shí)，應(yīng)≤1.0℃；在（300～400）℃，應(yīng)≤1.5℃。圖6為A點(diǎn)得到的溫場穩(wěn)定性測試的結(jié)果數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)表明，該裝置在工作范圍內(nèi)，穩(wěn)定性指標(biāo)達(dá)到JJF 1409-203規(guī)定的要求。測試結(jié)果如圖15所示。

圖15 溫源控溫穩(wěn)定性測試結(jié)果示意圖

4.2 溫場穩(wěn)定性

JJF 1409-203規(guī)定溫源的溫場均勻性，在室溫至100℃時(shí)，應(yīng)≤0.4℃；在（100～300）℃時(shí)，應(yīng)≤0.6℃；在（300～400）℃時(shí)，應(yīng)≤1.0℃。圖7為溫場均勻性測試的結(jié)果數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)表明，該裝置在工作范圍內(nèi)，均勻性指標(biāo)也達(dá)到JJF 1409-203規(guī)定的要求。測試結(jié)果如圖16所示。

圖16 溫源溫度均勻性測試結(jié)果示意圖

4.3 測量結(jié)果的不確定度分析

將本裝置作為標(biāo)準(zhǔn)源，校準(zhǔn)某個(gè)測量范圍為（50～400）℃、分辨力為1℃的表面溫度計(jì)，校準(zhǔn)操作時(shí)，測試點(diǎn)均位于熱板的中心點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為21.3℃，濕度為55%RH，且試驗(yàn)過程中，環(huán)境溫度波動(dòng)范圍為（21.2～21.6）℃，不超過0.5℃，滿足JJF 1409-203規(guī)定的校準(zhǔn)條件。

4.3.1 測量模型

示值誤差的測量模型公式為：

其中：

Δt ——表面溫度計(jì)的示值誤差，℃；

t示——表面溫度計(jì)的示值平均值，℃；

t標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)器使用高精度溫度計(jì)的溫度平均值，℃；

Δt修——標(biāo)準(zhǔn)器與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)整體校準(zhǔn)的溫度修正值，℃。

4.3.2 測量不確定度來源

由于式（1）中各項(xiàng)相互獨(dú)立，示值誤差的不確定度：

其中靈敏系數(shù)：

其中影響t示的因素主要有被校表面溫度計(jì)測量的重復(fù)性、被校溫度計(jì)的分辨力，影響t標(biāo)的因素主要有溫源的穩(wěn)定性、標(biāo)準(zhǔn)器的分辨力、環(huán)境溫度波動(dòng)。影響Δt修的因素主要有裝置溯源用精密表面溫度計(jì)的示值分辨力。

綜合上述分析可知，本裝置校準(zhǔn)結(jié)果不確定度的來源有被校表面溫度計(jì)測量重復(fù)性、被校表面溫度計(jì)分辨力、標(biāo)準(zhǔn)器溫源穩(wěn)定性、標(biāo)準(zhǔn)器分辨力等。

4.3.3 測量不確定度分析示例

以400℃點(diǎn)為例，分析被校表面溫度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度。

對選用的被校表面溫度計(jì)進(jìn)行一組重復(fù)測量，測量結(jié)果如表1所示。

表1 重復(fù)測量得到的表面溫度計(jì)校準(zhǔn)值（單位：℃）

被校表面溫度計(jì)測量重復(fù)性引入的不確定度為：

被校表面溫度計(jì)分辨力引入的不確定度，分辨力為1℃，區(qū)間半寬度為0.5℃，假設(shè)服從均勻分布，則：

因此

裝置溫源穩(wěn)定性引入的不確定度，由前述測試可知，溫源在400℃時(shí)穩(wěn)定性為0.5℃，區(qū)間半寬度為0.25℃，假設(shè)服從均勻分布，則：

裝置分辨力引入的不確定度，分辨力為0.1℃，區(qū)間半寬度為0.05℃，假設(shè)服從均勻分布，則：

環(huán)境溫度波動(dòng)為0.4℃，區(qū)間半寬度為0.2℃，假設(shè)服從均勻分布，則：

因此

裝置溯源用精密表面溫度計(jì)分辨力引入的不確定度，分辨力為0.1℃，區(qū)間半寬度為0.05℃，假設(shè)服從均勻分布，則：

在400℃點(diǎn)的測量結(jié)果合成不確定度為：

取擴(kuò)展系數(shù)k=2，則：

5 結(jié)論

文中介紹一種表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置，采用觸屏設(shè)置溫度計(jì)校準(zhǔn)參數(shù)、顯示校準(zhǔn)溫度信息，運(yùn)用分段PID參數(shù)設(shè)置、分段溫度偏差設(shè)置等方式控制設(shè)定溫度點(diǎn)，確保在工作范圍內(nèi)任意溫度點(diǎn)的準(zhǔn)確度不超過規(guī)定范圍，溫度調(diào)整過程變化平穩(wěn)不超調(diào)。經(jīng)過性能測試，裝置的溫場均勻性≤0.5℃，穩(wěn)定性≤0.5℃/10min，達(dá)到JJF1409-203《表面溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》的要求。對裝置測量結(jié)果的不確定度分析結(jié)果表明，裝置能夠完成實(shí)際校準(zhǔn)的工作。