基于微型鎵固定點(diǎn)的精密鉑電阻溫度計(jì)原位校準(zhǔn)的研究

王博陽(yáng), 曾凡超, 傅承玉, 黃安貽, 孫建平

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 湖北 武漢 430070；2. 湖北省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院, 湖北 武漢 430223； 3. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院, 北京 100029)

1 引 言

溫標(biāo)固定點(diǎn)傳遞技術(shù)就是把溫度的量值通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在定義固定點(diǎn)上進(jìn)行分度后,逐步傳遞給下一等級(jí)溫度計(jì)[1～6]。當(dāng)前,國(guó)際上溫標(biāo)水平在幾個(gè)mK,而實(shí)際工業(yè)應(yīng)用水平比溫標(biāo)水平差1個(gè)，甚至2個(gè)數(shù)量級(jí)[7～9]。其主要原因是：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境穩(wěn)定,測(cè)量設(shè)備精度高；而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中大多為高溫高壓高輻射環(huán)境,無(wú)法拆卸溫度計(jì),測(cè)量困難。如：在空間氣象衛(wèi)星中的星載溫度計(jì)的原位校準(zhǔn)；在核電站高溫高輻射的測(cè)量環(huán)境下,同樣需要溫度計(jì)具有原位校準(zhǔn)功能[10]。

為了解決精密鉑電阻溫度計(jì)的原位校準(zhǔn)問(wèn)題,國(guó)際上通行的做法是將微型固定點(diǎn)與溫度計(jì)傳感元件微型化、集成化封裝,形成具有自校準(zhǔn)功能的溫度計(jì)。在一個(gè)升降溫周期內(nèi)即可對(duì)一體化溫度計(jì)進(jìn)行原位校準(zhǔn)。本文設(shè)計(jì)了一種具有原位校準(zhǔn)功能的精密鉑電阻溫度計(jì),內(nèi)部集成微型鎵固定點(diǎn)裝置,該自校準(zhǔn)精密鉑電阻溫度計(jì)可實(shí)現(xiàn)在室溫環(huán)境下的原位校準(zhǔn)功能,對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的無(wú)法拆卸的溫度計(jì)量值溯源具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值。與傳統(tǒng)的固定點(diǎn)相比,微型鎵固定點(diǎn)相變時(shí)對(duì)雜質(zhì)、環(huán)境溫度和加熱溫度等影響因素更敏感[11～14],實(shí)驗(yàn)對(duì)微型鎵固定點(diǎn)的相變溫坪特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,可以為精密鉑電阻溫度計(jì)的原位校準(zhǔn)提供技術(shù)支撐。

2 鎵固定點(diǎn)灌注

鎵金屬的純度是決定溫坪復(fù)現(xiàn)性和準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)所用鎵金屬純度為99.999 99%,微型鎵固定點(diǎn)的灌注質(zhì)量約15.54 g。

灌注過(guò)程主要分為部件清洗、灌注和密封3個(gè)步驟。清洗介質(zhì)為無(wú)水乙醇(分析純),清洗過(guò)程中,先將固定點(diǎn)坩堝和容器放入超聲頻率為40 kHz的超聲波清洗機(jī)進(jìn)行多次清洗；采用分析天平(精度可達(dá)0.01 g)對(duì)高純金屬鎵精確稱(chēng)重,并放入固定點(diǎn)坩堝中；灌注完畢后,密封固定點(diǎn)坩堝,并在縫隙處涂上密封膠。固定點(diǎn)金屬灌注完成后,需要反復(fù)熔化凝固多次,直到固定點(diǎn)熔化溫坪趨于定值,表明灌注固定點(diǎn)趨于穩(wěn)定。

3 測(cè)試系統(tǒng)與裝置

3.1 微型鎵固定點(diǎn)容器

集成化的溫度計(jì)空間狹小,只能裝入少量的固定點(diǎn)金屬材料,導(dǎo)致溫度計(jì)測(cè)量的相變溫坪性能較差。為了得到高精度的相變溫坪,需要改進(jìn)固定點(diǎn)裝置以滿足溫度計(jì)的原位校準(zhǔn)需求。

為了使微型鎵固定點(diǎn)的應(yīng)用符合精密鉑電阻溫度計(jì),設(shè)計(jì)的鎵固定點(diǎn)容器結(jié)構(gòu)主要由紫銅均熱塊、聚四氟乙烯坩堝、均熱塊蓋、聚四氟乙烯溫度計(jì)阱構(gòu)成。容器直徑為15 mm,高40 mm,重約19.08 g。容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小巧輕便,便于攜帶。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 固定點(diǎn)容器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of fixed-point container structure

固定點(diǎn)坩堝由聚四氟乙烯材料制成,聚四氟乙烯具有優(yōu)良的耐熱和耐低溫特性,且不與坩堝里的金屬反應(yīng)。固定點(diǎn)容器由紫銅材料制成,紫銅導(dǎo)熱性能好,溫度計(jì)阱直接插入高純金屬內(nèi)部,以保證良好的熱接觸。溫度計(jì)浸沒(méi)深度約為3 cm。

3.2 輔助系統(tǒng)

傳統(tǒng)固定點(diǎn)加熱系統(tǒng)復(fù)雜,通常為了溫場(chǎng)梯度良好,采取3段加熱的方式,并由溫控器控制溫度,來(lái)獲得一個(gè)時(shí)間很長(zhǎng)的溫坪,而在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)應(yīng)用中無(wú)法采取這種方式加熱。鎵金屬的熔點(diǎn)接近室溫,故在室溫環(huán)境便可復(fù)現(xiàn)出鎵的熔化溫坪。實(shí)驗(yàn)為模擬環(huán)境溫度的變化,對(duì)微型鎵固定點(diǎn)采用恒溫槽升降溫的方法,在一個(gè)升降溫周期內(nèi)對(duì)固定點(diǎn)進(jìn)行熔化和凝固。測(cè)溫儀器選用ISOTECH生產(chǎn)的Micro K70測(cè)溫電橋,該測(cè)溫儀電阻測(cè)量范圍0～100 kΩ,電阻比準(zhǔn)確度在25～400 Ω時(shí)為1.7×10-8。圖2為裝置系統(tǒng)框圖。

圖2 裝置系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of the device

4 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

精密鉑電阻溫度傳感元件(編號(hào)2020194)在標(biāo)準(zhǔn)鎵固定點(diǎn)和水三相點(diǎn)中進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1中：Rtp表示該精密鉑電阻溫度計(jì)在水三相點(diǎn)溫度的電阻值；RGa表示其在鎵熔點(diǎn)溫度的電阻值；WGa表示其在鎵熔點(diǎn)溫度與在水三相點(diǎn)溫度的電阻值的比值；a11表示其所處第11溫區(qū)的溫度系數(shù)。

表1 精密鉑電阻溫度傳感元件標(biāo)定結(jié)果Tab.1 Calibration results of precision platinum resistance temperature

實(shí)驗(yàn)將精密鉑電阻傳感元件和微型鎵固定點(diǎn)封裝在304不銹鋼保護(hù)管中,形成一體化溫度計(jì)。溫度計(jì)自校準(zhǔn)過(guò)程如下：將自校準(zhǔn)溫度計(jì)全部插入恒溫槽內(nèi),設(shè)定恒溫槽溫度為0 ℃并保持15 min,確保溫度計(jì)中鎵固定點(diǎn)完全凝固；將恒溫槽溫度分別設(shè)為34 ℃、35 ℃、36 ℃、37 ℃,用Micro K70測(cè)溫電橋測(cè)量溫度計(jì)的電阻值,重復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程4次。

4.1 相變溫坪取值方法

微型固定點(diǎn)的相變溫坪曲線往往具有較好的重復(fù)性與復(fù)現(xiàn)性,但相變材料在相變?nèi)刍A段,鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量得到的并不是一個(gè)恒定值,而是一個(gè)緩慢上升的值[15,16]。主要由于紫銅均熱塊和聚四氟乙烯坩堝存在一定的溫度梯度,并且固定點(diǎn)質(zhì)量少,無(wú)法在熔化相變階段使整個(gè)坩堝達(dá)到完全理想的恒定溫度。

本實(shí)驗(yàn)所有曲線在其對(duì)應(yīng)的相變?nèi)刍A段都有一定程度的傾斜,這個(gè)斜率會(huì)隨著設(shè)定溫度的升高而變化。微型固定點(diǎn)在其熔化相變過(guò)程并沒(méi)有真正的保持恒溫,但不同加熱溫度下的拐點(diǎn)值基本不變。因此拐點(diǎn)取值的準(zhǔn)確程度會(huì)直接影響溫度計(jì)的標(biāo)定精度,實(shí)驗(yàn)運(yùn)用切線相交法計(jì)算相變拐點(diǎn)值,即拐點(diǎn)的前后鄰近的位置,分別擬合一條直線,如圖3所示。圖3中Y1代表固定點(diǎn)溫坪的持續(xù)階段過(guò)程中溫坪曲線的擬合函數(shù),Y2代表固定點(diǎn)溫坪的結(jié)束階段過(guò)程中溫坪曲線的擬合函數(shù)。直線Y1和Y2的交點(diǎn)Q代表相變拐點(diǎn),其縱坐標(biāo)為熔化溫坪的電阻值。

圖3 熔化溫坪值的確定方法Fig.3 A method for determining the value of melting temperature plateau

4.2 相變溫坪復(fù)現(xiàn)性

為了驗(yàn)證微型鎵固定點(diǎn)相變溫坪的復(fù)現(xiàn)性,實(shí)驗(yàn)利用恒溫槽使溫度計(jì)在每次加熱前均處于相同的溫度,并選擇相同的加熱溫度復(fù)現(xiàn)溫坪。

設(shè)定恒溫槽溫度34 ℃,進(jìn)行4次重復(fù)測(cè)量,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4。取4條曲線相變溫坪的數(shù)據(jù),由溫坪拐點(diǎn)處理得到溫坪值、20 min穩(wěn)定性、與標(biāo)準(zhǔn)值的差值和4次數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值見(jiàn)表2。標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式為

表2 加熱溫度34 ℃時(shí)微型鎵固定點(diǎn)相變溫坪值Tab.2 The plateau value of miniature gallium fixed-point phase transition at heating temperature of 34 ℃.

圖4 微型鎵固定點(diǎn)相變溫坪復(fù)現(xiàn)性曲線Fig.4 Reproducibility curve of miniature gallium fixed-point phase transition temperature plateau

(1)

式中：Xi代表樣本值;N代表測(cè)量次數(shù);μ代表總體X的均值。

4.3 溫坪值與加熱溫度

改變恒溫槽設(shè)定溫度,測(cè)量微型鎵固定點(diǎn)的相變溫坪持續(xù)時(shí)間與加熱溫度的關(guān)系,見(jiàn)圖5。

圖5 不同加熱溫度對(duì)微型鎵固定點(diǎn)溫坪曲線的影響Fig.5 The effect of different heating temperatures on the temperature flat curve at the fixed-point of miniature gallium

由圖5可以看出,加熱溫度會(huì)影響微型鎵固定點(diǎn)的相變溫坪持續(xù)時(shí)間,加熱溫度越高,相變持續(xù)時(shí)間就會(huì)越短,反之亦然。溫度計(jì)在實(shí)際使用過(guò)程中通過(guò)環(huán)境溫度的變化可以控制溫坪的長(zhǎng)短,提高自校準(zhǔn)的靈活性。從圖5中可以看出加熱溫度越低,熔坪電阻值越接近該精密鉑電阻溫度計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)鎵固定點(diǎn)裝置測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電阻值113.980 35。實(shí)驗(yàn)可以建立加熱溫度與溫坪值之間的關(guān)系,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鎵標(biāo)定值與溫坪值之間的差異即可實(shí)時(shí)對(duì)某一加熱溫度下的溫度計(jì)進(jìn)行自校準(zhǔn)。

5 討 論

將圖5中不同加熱溫度與溫坪持續(xù)時(shí)間和相變拐點(diǎn)溫度值對(duì)應(yīng)關(guān)系匯總于表3。通過(guò)對(duì)圖5和表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,改變加熱溫度,不僅使微型鎵固定點(diǎn)的相變時(shí)間發(fā)生改變,而且其相變拐點(diǎn)的電阻值也受到了影響,并且加熱溫度越低,微型鎵固定點(diǎn)的相變拐點(diǎn)值也越小,越接近標(biāo)準(zhǔn)值。微型鎵固定點(diǎn)的相變拐點(diǎn)值和加熱功率之間存在函數(shù)關(guān)系。

表3 加熱溫度與溫坪持續(xù)時(shí)間和溫坪值關(guān)系Tab.3 The relationship between heating temperature and flat temperature duration and flat temperature value

根據(jù)表3中加熱溫度與拐點(diǎn)電阻數(shù)值關(guān)系,作一次線性擬合,見(jiàn)圖6所示。線性擬合因子R2=0.997 8,線性擬合關(guān)系為：

Y=0.013 9X+113.573 0

(2)

式中:X為加熱溫度,Y為相變拐點(diǎn)電阻。

為了驗(yàn)證圖6中線性擬合的準(zhǔn)確性,取相同加熱溫度下的擬合拐點(diǎn)值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。由表3數(shù)據(jù)可知,在加熱溫度為34 ℃時(shí),相變拐點(diǎn)4次測(cè)量平均值為114.045 02 Ω。將X=34代入式,得到此拐點(diǎn)擬合值Y=114.045 6,與測(cè)量平均值相差1.5 mK(內(nèi)插誤差)；此外,當(dāng)實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的加熱溫度值無(wú)限接近于鎵熔點(diǎn)29.764 6 ℃,即X=29.764 6,代入式(2)得到Y(jié)=113.986 73,與標(biāo)準(zhǔn)值113.980 35 Ω相差16 mK(外推誤差)。

圖6 加熱溫度與溫坪持續(xù)時(shí)間或溫坪值的關(guān)系Fig.6 The relationship between heating temperature and plateau duration or plateau value

6 結(jié) 論

基于基準(zhǔn)固定點(diǎn)傳遞技術(shù),介紹了微型鎵固定點(diǎn)的設(shè)計(jì)及灌注,并對(duì)其熔化溫坪特性作了實(shí)驗(yàn)分析。該固定點(diǎn)容器溫坪持續(xù)時(shí)間在34 ℃可達(dá) 1.2 h,其中在20 min內(nèi)穩(wěn)定性為2.8 mK,復(fù)現(xiàn)性為2.3 mK。隨著加熱溫度的降低,相變溫坪持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng),溫坪值越接近標(biāo)準(zhǔn)值。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可知,微型鎵固定點(diǎn)相變穩(wěn)定、復(fù)現(xiàn)性高、穩(wěn)定性好,其溫坪值與加熱溫度呈強(qiáng)線性關(guān)系,線性擬合因子R2為0.997 8。整個(gè)復(fù)現(xiàn)過(guò)程方法簡(jiǎn)單,固定點(diǎn)容器便于攜帶,精度高,滿足了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)精密鉑電阻溫度計(jì)高精度校準(zhǔn)的需求,且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論可以為微型鎵固定點(diǎn)在原位校準(zhǔn)方面的后續(xù)研究提供參考。對(duì)于溫坪值和溫坪持續(xù)時(shí)間與加熱溫度的高精度擬合關(guān)系,尚需做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。