勻速升降溫激勵(lì)法溫度傳感器校準(zhǔn)技術(shù)研究

陳逸清 崔文德 裴雅鵬 王闊傳 劉 浩

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的最重要參數(shù)之一，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫度測(cè)量越來(lái)越受到重視，而且對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的要求也越來(lái)越高。在國(guó)防軍工領(lǐng)域和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)如鋼鐵、冶金、熱處理、輕工、化工等領(lǐng)域，隨著自動(dòng)化程度的提高和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，都要求準(zhǔn)確、快速地測(cè)溫和控溫[1]。因此對(duì)溫度監(jiān)測(cè)與相關(guān)傳感器設(shè)備的校準(zhǔn)變得越來(lái)越重要。由于溫度傳感器應(yīng)用量大面廣，其測(cè)溫誤差將對(duì)工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)影響，造成經(jīng)濟(jì)損失。為此溫度傳感器在出廠時(shí)需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，使用過(guò)程中還要進(jìn)行周期性檢定或校準(zhǔn)，以判斷溫度傳感器是否發(fā)生質(zhì)變、超差。尤其在高精密測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)于溫度傳感器的校準(zhǔn)工作必不可少[2]。

傳統(tǒng)的溫度傳感器校準(zhǔn)方法耗時(shí)長(zhǎng)需要等待每個(gè)校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的熱平衡時(shí)間，校準(zhǔn)效率低。因此本文提出了一種溫度傳感器的勻速升降溫激勵(lì)法快速校準(zhǔn)技術(shù)，通過(guò)控制溫控爐內(nèi)溫場(chǎng)勻速升降溫，可在一個(gè)溫度循環(huán)周期后，得出全溫區(qū)的校準(zhǔn)結(jié)果。該方法無(wú)需等待每個(gè)校準(zhǔn)溫度點(diǎn)熱平衡的時(shí)間，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法中耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，校準(zhǔn)效率高、速度快，可實(shí)現(xiàn)溫度傳感器在全量程內(nèi)的“逐點(diǎn)”校準(zhǔn)。

2 溫度傳感器的勻速升降溫激勵(lì)法快速校準(zhǔn)原理

如圖1所示，將被校和標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器放置在校準(zhǔn)爐中，先將校準(zhǔn)爐降溫至校準(zhǔn)下限溫度點(diǎn)，再對(duì)均溫塊進(jìn)行加熱，控制升溫速率勻速上升，升至校準(zhǔn)上限，再進(jìn)行降溫，控制降溫速率與升溫速率大小一致方向相反，降至校準(zhǔn)下限，此時(shí)會(huì)得出被校和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的示值溫度曲線，在一個(gè)校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上取標(biāo)準(zhǔn)傳感器所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻并記錄下被校傳感器的溫度值，因?yàn)楸恍鞲衅鳒囟软憫?yīng)時(shí)間相比于標(biāo)準(zhǔn)傳感器存在超前或滯后，且在升溫和降溫過(guò)程中由于設(shè)置了勻速升降溫條件因此這個(gè)超前或滯后量大小一

圖1 勻速升降溫激勵(lì)法校準(zhǔn)示意圖Fig.1 Calibration diagram of uniform rising and cooling excitation method

致，所以在升溫和降溫過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)同一校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上會(huì)得到被校傳感器的兩個(gè)溫度值，當(dāng)校準(zhǔn)裝置的升、降溫速率大小一致時(shí)，如圖2所示，升溫與降溫過(guò)程中兩只傳感器溫差Δt大小相等方向相反，因此通過(guò)算術(shù)運(yùn)算的方式可以消除由于溫度滯后給校準(zhǔn)結(jié)果帶來(lái)的影響，最后通過(guò)比較被校和標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器同一時(shí)刻在所取校準(zhǔn)點(diǎn)上的溫度值，得出被校傳感器和標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器的差值，達(dá)到校準(zhǔn)的目的。然后對(duì)全量程的溫度逐點(diǎn)進(jìn)行上述計(jì)算并比較，可以得出被測(cè)傳感器所有校準(zhǔn)結(jié)果。

圖2 勻速升降溫激勵(lì)法校準(zhǔn)原理圖Fig.2 Calibration Schematic diagram of uniform rising and cooling excitation method

(1)

3 校準(zhǔn)爐體設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 勻速升降溫校準(zhǔn)爐體設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)溫度傳感器感溫探頭周圍環(huán)境溫度(均溫芯子有效區(qū)域)勻速升降溫是實(shí)現(xiàn)本文校準(zhǔn)方法的重要條件之一。因此為了提高校準(zhǔn)精度需盡可能的提高校準(zhǔn)爐的溫度均勻度。

選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的鋁合金作為校準(zhǔn)爐體整體的材料。在確保均溫塊溫度場(chǎng)的性能指標(biāo)的情況下，將校準(zhǔn)裝置爐體設(shè)計(jì)成如下結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 校準(zhǔn)爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.3 Calibration furnace design structure

校準(zhǔn)爐整體外形為圓柱桶狀結(jié)構(gòu)，由于保溫層材料的熱物性對(duì)均溫區(qū)域溫度場(chǎng)分布有所影響，保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)要盡量小才能起到保溫絕熱的作用[5]。因此在常用保溫材料中選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的發(fā)泡聚氨酯作為保溫層材料。

根據(jù)實(shí)際工程需要，為了保證被校和標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器的安裝便捷，校準(zhǔn)爐使用開(kāi)放式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，溫度傳感器直接插入校準(zhǔn)爐內(nèi)的均溫芯子中即可。選取均溫芯子最下段50mm作為校準(zhǔn)有效區(qū)域。

由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，不利于導(dǎo)熱但能起到較好保溫作用，因此設(shè)計(jì)在中間層和外層恒溫塊的底部和側(cè)面部分區(qū)域留出一定區(qū)域的縫隙，同樣在內(nèi)層均溫芯子和中間層的底部和側(cè)面部分也留出一定縫隙，套筒和芯子下部分間有空氣隔離，具有良好的保溫性能，因此可以保證套筒與均溫芯子有效區(qū)域的直接熱交換較小，確保均溫芯子有效區(qū)域的溫度只來(lái)自于上半部分加熱棒的傳導(dǎo)，使其具有良好的溫度均勻度。

有空氣腔和無(wú)空氣腔的瞬態(tài)均溫芯子有效區(qū)域內(nèi)靠近底面的橫向溫度分布曲線對(duì)比如圖4、圖5所示。

圖4 無(wú)空腔均溫芯子底面溫度橫向分布曲線Fig.4 Transverse temperature distribution curve of the bottom surface of thr core without cavity

圖5 有空腔均溫芯子底面溫度橫向分布曲線Fig.5 Transverse temperature distribution curve of the bottom core

圖中縱坐標(biāo)為溫度值，橫坐標(biāo)為距離均溫芯子底面中心點(diǎn)的距離d。從溫度分布曲線上可以看出，無(wú)空腔的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中均溫芯子有效區(qū)域整個(gè)底面在同一時(shí)刻中心點(diǎn)與邊緣點(diǎn)溫差達(dá)到了0.410℃，有空腔的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中溫差為0.077℃。因此增加空氣腔可以有效地阻隔外層均溫塊向均溫芯子傳熱。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于每一只加熱棒的實(shí)際加熱功率都會(huì)略有不同，與標(biāo)稱值有所出入，而在本文的校準(zhǔn)系統(tǒng)中每一只加熱棒的工作狀態(tài)是否一致會(huì)影響均溫塊的傳熱，導(dǎo)致均溫芯子有效區(qū)域內(nèi)同樣高度軸對(duì)稱位置上的點(diǎn)溫度場(chǎng)分布不一致，這種情況會(huì)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響，因此為減小并盡可能消除上述影響產(chǎn)生的校準(zhǔn)不確定度，設(shè)計(jì)將均溫芯子截為三段，設(shè)計(jì)長(zhǎng)10mm高1mm的開(kāi)口結(jié)構(gòu)，開(kāi)口處只留下芯子中心部分聯(lián)通，這樣處理后來(lái)自熱源的熱量就只能通過(guò)芯子聯(lián)通的中間部分從上表面向下對(duì)均溫芯子的有效區(qū)域進(jìn)行熱傳導(dǎo)，而不是從側(cè)面四周向下傳導(dǎo)。這種設(shè)計(jì)有效的彌補(bǔ)了由于校準(zhǔn)爐側(cè)面加熱，熱源傳導(dǎo)溫度不均勻?qū)е碌木鶞匦咀佑行^(qū)域無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的溫度場(chǎng)問(wèn)題，并減小均溫芯子縱向的溫差。

圖6 均溫芯子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.6 Comparison of design structure of uniform temperature core

如圖6所示，通過(guò)數(shù)值熱分析計(jì)算均溫芯子截與不截為三段式兩種結(jié)構(gòu)有效區(qū)域內(nèi)中心軸對(duì)稱點(diǎn)A、B的溫度值得出：未截成三段式的A、B點(diǎn)的溫差為0.03℃，截為三段式后A、B點(diǎn)的溫差為0.01℃，因此通過(guò)對(duì)均溫芯子設(shè)計(jì)為開(kāi)口結(jié)構(gòu)可以有效地解決由于加熱棒工作狀態(tài)不一致導(dǎo)致的校準(zhǔn)爐溫場(chǎng)不對(duì)稱均勻的問(wèn)題。

3.2 數(shù)值熱分析

為了模擬實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中每一只加熱棒功率不一致的效果，設(shè)置仿真模型左右兩邊加熱源位置的控溫狀態(tài)不一致，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)選取可能存在的誤差最大值，設(shè)置左側(cè)控溫條件從-196℃升至200℃用時(shí)5400s，待溫場(chǎng)穩(wěn)定30min后以同樣速率降回至-196℃；右側(cè)同樣條件用時(shí)5500s。在整個(gè)模型上表面施加對(duì)流換熱，環(huán)境溫度設(shè)為25℃；液氮溫度設(shè)為-196℃恒溫。 對(duì)均溫塊進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值模擬分析。由于整個(gè)仿真結(jié)果是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此選取幾個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，校準(zhǔn)爐的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布圖如圖7所示。

圖7 溫度場(chǎng)瞬態(tài)分布云圖Fig.7 Cloud map of transient distribution of temperature field

由于本文研究的校準(zhǔn)方法要求被校與標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器感溫探頭所在位置周圍溫場(chǎng)實(shí)現(xiàn)勻速升降溫變化，為了檢驗(yàn)上述設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能否滿足需求，選取幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如圖8所示。在均溫芯子的有效區(qū)域內(nèi)分別選上、中、下位置對(duì)稱的六個(gè)點(diǎn)A1、B1、C1、A2、B2、C2。

圖8 校準(zhǔn)爐體三維結(jié)構(gòu)Fig.8 Calibration the three-dimensional structure of furnace body

4 仿真數(shù)據(jù)分析

對(duì)選取的6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值熱分析計(jì)算，6個(gè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。

圖9 溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Temperature curve over time

如圖9所示，可以初步看出以上6個(gè)位置點(diǎn)均大致實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)溫度循環(huán)周期內(nèi)溫度的勻速升降。由于本文校準(zhǔn)方法需要標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被校傳感器對(duì)比得出校準(zhǔn)結(jié)果，需要均溫芯子有效區(qū)域同一平面上的兩個(gè)對(duì)稱位置溫度變化均勻同速，由于校準(zhǔn)溫區(qū)較寬，因此從溫度曲線分布圖中無(wú)法精確看出數(shù)值差異。為了得出精確數(shù)值，對(duì)三對(duì)對(duì)稱點(diǎn)的溫度值進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行升降溫速率計(jì)算。選擇幾個(gè)特征溫度值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果分別如表1、表2、表3所示。

表1 A1、A2點(diǎn)間數(shù)據(jù)對(duì)比

由計(jì)算結(jié)果可以看出，除一開(kāi)始進(jìn)行升降溫變化時(shí)前20℃由于溫場(chǎng)傳遞引起的滯后現(xiàn)象導(dǎo)致均溫芯子有效區(qū)域內(nèi)溫度升降溫未能實(shí)現(xiàn)勻速外，其余時(shí)刻均溫芯子的有效區(qū)域均滿足了設(shè)計(jì)需求，并且同一平面上的兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)在勻速升降溫過(guò)程中溫差始終控制在0.018℃以內(nèi)。因此在實(shí)際校準(zhǔn)中選取校準(zhǔn)有效溫區(qū)為-180℃到180℃，如若想要得到更寬的校準(zhǔn)有效溫區(qū)可以采取加長(zhǎng)整個(gè)控溫區(qū)間或降低控溫速率的方式實(shí)現(xiàn)。

表2 B1、B2點(diǎn)間數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 C1、C2點(diǎn)間數(shù)據(jù)對(duì)比

為了分析校準(zhǔn)爐體對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度影響，利用本文提出的校準(zhǔn)原理對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并選擇幾個(gè)特征溫度值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表4所示。

表4 校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)上表分析得知，均溫芯子有效區(qū)域內(nèi)在控溫過(guò)程中由校準(zhǔn)爐體引入的校準(zhǔn)不確定度最大為0.011℃，大部分穩(wěn)定在0.005℃以下。由于在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中，可能發(fā)生安裝溫度傳感器時(shí)標(biāo)準(zhǔn)與被校傳感器的感溫探頭未能在同一水平面的情況，通過(guò)對(duì)比6個(gè)點(diǎn)間的溫度值可以得出在校準(zhǔn)過(guò)程中6點(diǎn)間的最大溫差為0.173℃，6個(gè)點(diǎn)間的極值距離約為50mm，因此取極端最差情況，在實(shí)際放置傳感器時(shí)，若感溫探頭的放置高度相差5mm，會(huì)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生約0.017℃的不確定度影響。

本文校準(zhǔn)方法對(duì)于-180℃至180℃溫區(qū)內(nèi)“逐點(diǎn)”校準(zhǔn)總共耗時(shí)3.5小時(shí)，然而在傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法中只校準(zhǔn)上表中這些特征溫度點(diǎn)就要耗時(shí)約7小時(shí)，因此本文研究的校準(zhǔn)方法可以極大地提高校準(zhǔn)效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究一種新的溫度校準(zhǔn)技術(shù)，分析了各種因素對(duì)均溫區(qū)域溫度場(chǎng)的影響，從而不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用熱分析軟件ANASY進(jìn)行驗(yàn)證并完成校準(zhǔn)爐體的設(shè)計(jì)定型。在考慮到實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真校準(zhǔn)，分析了數(shù)據(jù)結(jié)果，給出了校準(zhǔn)爐體的校準(zhǔn)不確定度并優(yōu)化了校準(zhǔn)過(guò)程。