溫度傳感器浸沒方式對溫度計校準結(jié)果的影響

/ 上海市計量測試技術研究院

0 引言

溫度是描述物體冷熱程度的物理量，是國際單位制（簡稱SI）規(guī)定的七個基本單位之一。接觸式數(shù)字溫度計測量溫度具有量值直觀性強、準確度高和穩(wěn)定性好等特點，已在經(jīng)濟建設的各個領域得到廣泛應用。

隨著科學技術水平的提高以及實際生產(chǎn)應用的需要，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家研制出了各類多功能的數(shù)字溫度計，具有分辨力高、單位轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)查詢存儲等功能。為了滿足高端測量市場的需求，部分數(shù)字溫度計具有較高準確度等級，因此，對溫度計計量性能評定提出了更高的要求。

在-80～300 ℃溫度范圍內(nèi)，接觸式數(shù)字溫度計的溫度傳感器主要有三類：鉑熱電阻、熱電偶、熱敏電阻。溫度傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)換成模擬信號變化，使用AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)預先置入的溫度與數(shù)字信號的相關模型，顯示出測量的溫度數(shù)值。對于這些接觸式數(shù)字溫度計，可采用標準鉑電阻溫度計作為標準器，配套使用測溫范圍-80～300 ℃的恒溫槽，采用比較法進行校準。在校準過程中，特別需要注意溫度傳感器的浸沒深度和穩(wěn)定時間，如果浸沒深度不夠或穩(wěn)定時間短，可能會產(chǎn)生明顯的漏熱現(xiàn)象，影響校準結(jié)果。本文針對溫度傳感器的浸沒方式和深度，進行對比試驗分析。

1 試驗內(nèi)容與方法

1.1 使用設備

1）標準器：二等標準鉑電阻溫度計。

2）電測設備：數(shù)字測溫儀最大允差為±0.002 5 ℃（在25 ℃時），分辨力為0.000 1 ℃，配二等標準鉑電阻溫度計使用。

3）恒溫設備：根據(jù)不同溫度點，選擇不同恒溫槽，恒溫槽中介質(zhì)分別為酒精、水和硅油；測溫范圍 -80～20 ℃的制冷恒溫槽、測溫范圍 20～90 ℃的恒溫水槽和測溫范圍100～300 ℃的恒溫油槽，均勻性為 0.01 ℃，波動度為 ±0.01 ℃ /10 min。

4）被校 ：分辨力為0.01 ℃的接觸式數(shù)字溫度計，允差為±0.2 ℃。

5）輔助 ：4支不同直徑的玻璃試管，如表1所示。

表 1 4 支不同直徑的玻璃試管 單位：mm

1.2 試驗方法

接觸式數(shù)字溫度計的溫度傳感器校準主要分為兩類：

1）溫度傳感器具有防水功能且長度符合浸沒深度要求，浸沒深度不小于7.5 cm，可直接浸沒于恒溫槽中進行校準，并使被校數(shù)字溫度計的溫度傳感器盡可能靠近標準溫度計。

2）溫度傳感器不具備防水功能或直徑較小的，均需插入玻璃試管中進行校準，且玻璃試管的內(nèi)徑應與溫度傳感器的直徑相當，避免損壞溫度傳感器或因溫度傳感器質(zhì)量輕而漂浮在恒溫槽液面上，從而引起測量偏差。

試驗中，將二等標準鉑電阻溫度計與被校數(shù)字溫度計的溫度傳感器按規(guī)定浸沒深度浸入恒溫槽中，以二等標準鉑電阻溫度計為準，恒溫槽恒定溫度偏離校準點不超過0.2 ℃（本次試驗不超過0.0 ℃）。待恒溫槽溫度穩(wěn)定后讀取示值，分別讀取被校數(shù)字溫度計和標準溫度計的示值，讀取4次。讀取示值應迅速、時間間隔均勻，取4次示值平均值計算被校數(shù)字溫度計的示值誤差。

2 不同試驗方法的比較與分析

2.1 溫度傳感器不同浸沒方式試驗結(jié)果的比較

圖1給出了將溫度傳感器直接浸入恒溫槽中進行校準和將溫度傳感器插入玻璃試管中進行校準所得到的試驗結(jié)果的比較。本次試驗中以校準溫度變化率不超過0.01 ℃/5 min為穩(wěn)定條件。

圖1 兩種校準方法試驗結(jié)果的比較

由圖1可以看出，兩種不同校準方式達到穩(wěn)定條件所需的時間分別為 90 s、120 s。校準溫度在0 ℃時的穩(wěn)定溫度分別為0.22 ℃、0.28 ℃。采用直接將溫度傳感器浸入恒溫槽中的校準方法，溫度傳感器受熱響應較快，達到溫度穩(wěn)定狀態(tài)所需時間較短；采用插入玻璃試管的校準方法，溫度傳感器受熱響應較慢，達到溫度穩(wěn)定時間較長，且可能與校準點溫度偏離較大，超出儀器使用允差范圍。

2.2 不同直徑玻璃試管試驗結(jié)果的比較

對于不具備防水功能或直徑較小的溫度傳感器，需要插入玻璃試管中再浸入恒溫槽校準。大多數(shù)溫度傳感器采用金屬外殼封裝，直徑大小不一。圖2給出了對于同一溫度傳感器，外徑為2.1 mm，分別使用4種不同內(nèi)徑的玻璃試管，校準溫度點在0 ℃時所需的時間及試驗結(jié)果。

由圖2可以看出，1號玻璃試管內(nèi)徑為3.4 mm，與溫度傳感器直徑更接近，降溫迅速，且穩(wěn)定時間最短，為100 s，穩(wěn)定溫度為0.06 ℃。隨著玻璃試管直徑的匹配程度越低，降溫越緩慢且穩(wěn)定所需時間越長，2號、3號和4號玻璃試管穩(wěn)定時間分別為130 s、150 s和 180 s，穩(wěn)定溫度分別為 0.11 ℃、0.33 ℃和0.57 ℃，更加偏離校準點溫度。這是由于玻璃試管內(nèi)空氣與外界空氣產(chǎn)生對流，出現(xiàn)了明顯漏熱現(xiàn)象，因此，應盡量選擇與溫度傳感器直徑相當?shù)牟Ａг嚬苓M行校準。

圖2 不同直徑玻璃試管試驗方法的比較

2.3 溫度傳感器在玻璃試管中不同位置對校準結(jié)果的影響

將溫度傳感器裝入玻璃試管中校準時，除了要考慮玻璃試管的內(nèi)徑，還需考慮插入玻璃試管中的位置，即溫度傳感器在恒溫槽中的浸沒深度。選擇1號玻璃試管，外徑為2.1 mm的溫度傳感器，將其分3次插入玻璃試管中的不同位置進行校準，溫度在0 ℃的比較試驗，圖3給出了試驗過程所需校準點的時間及試驗結(jié)果。

圖3 溫度傳感器在玻璃試管中不同位置校準結(jié)果的比較

由圖3可以看出，在選擇了與溫度傳感器直徑相當?shù)牟Ａг嚬芎?，溫度傳感器在玻璃試管中的放置位置對校準結(jié)果也存在一定的影響。溫度傳感器插入玻璃試管最底部時溫度穩(wěn)定時間最短，為 100 s，穩(wěn)定溫度為0.06 ℃。溫度傳感器在其他兩處位置的穩(wěn)定時間分別為 120 s、140 s，穩(wěn)定溫度分別為 0.14 ℃、0.33 ℃。這是由于溫度傳感器浸沒深度不夠，增加了導熱的熱阻，到達校準點時間較長且校準結(jié)果偏離校準點較大。因此，在校準數(shù)字溫度計時應將溫度傳感器插入至玻璃試管底部。

3 結(jié)語

通過比對試驗，本文針對數(shù)字溫度計中溫度傳感器的不同浸沒方式、深度進行了實驗，試驗結(jié)果表明，直接浸沒恒溫槽校準比插入玻璃試管校準，導熱迅速，穩(wěn)定時間短；但對于不具有防水功能或直徑較小的溫度傳感器，均需選擇與溫度傳感器直徑相當?shù)牟Ａг嚬?，將溫度傳感器插入至玻璃試管底部進行校準，用棉花塞緊管口以消除玻璃試管中空氣與外界空氣的對流影響，減小測量誤差。