提高接觸式表面溫度計(jì)校準(zhǔn)可靠性的方法

周登錦 陳子騫 徐 標(biāo) 梁顯有/廣東省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

接觸式表面溫度計(jì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為表面溫度計(jì)）大量應(yīng)用在能源、化工、紡織、機(jī)械、電力、航空航天等需要精確測(cè)量表面溫度的科研和生產(chǎn)中。隨著表面溫度計(jì)的廣泛應(yīng)用，如何對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的校準(zhǔn)成為一個(gè)突出的問(wèn)題。目前，一些校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室和廠家使用液體槽對(duì)表面溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，不能反映溫度傳感器表面與被測(cè)物體表面接觸熱阻所帶來(lái)的測(cè)量誤差，而且極易污染被校溫度計(jì)的探頭，校后清洗不凈會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)隱患。另外，表面溫度計(jì)使用和維護(hù)不當(dāng)，傳感器部分容易發(fā)生形變。在傳感器發(fā)生形變的情況下，如用液體槽對(duì)表面溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)不了它的影響；如用表面溫源進(jìn)行校準(zhǔn)，則傳感器表面不能與被測(cè)表面很好接觸，接觸熱阻大大增加，帶來(lái)很大的測(cè)量誤差。本文就表面溫度計(jì)校準(zhǔn)中存在的問(wèn)題，提高表面溫度計(jì)校準(zhǔn)可靠性的方法進(jìn)行一些探討。

1 表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置

1.1 校準(zhǔn)裝置通用要求

要提高表面溫度計(jì)校準(zhǔn)可靠性，必須要有合適的表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置，并能滿(mǎn)足表面溫度計(jì)的校準(zhǔn)要求。通常表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：①工作表面應(yīng)平整，保證與表面溫度計(jì)能很好接觸；②工作表面應(yīng)有一定面積（不小于20×50mm2）的等溫區(qū)；③工作表面溫度可控且穩(wěn)定，有溫度干擾后能較快恢復(fù)受控狀態(tài)；④工作表面溫度能夠精確測(cè)得。目前國(guó)內(nèi)常用的表面溫度校準(zhǔn)裝置有直接加熱式、平面熱管式和固定點(diǎn)式三種。本文以哈特(福祿克)公司的3125型直接加熱式表面溫源及其配用的2200型溫度控制器為例介紹表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置。該表面溫源的工作表面是經(jīng)過(guò)研磨的鋁質(zhì)，平整光滑；有大約79 cm2的圓測(cè)試表面；配有溫控器，工作表面溫度可控且穩(wěn)定，有溫度干擾后能較快恢復(fù)受控狀態(tài)；工作表面溫度可通過(guò)專(zhuān)用測(cè)試孔準(zhǔn)確測(cè)得。

目前，國(guó)家尚無(wú)表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)規(guī)范。依據(jù)JJG 364—1994表面溫度計(jì)檢定規(guī)程，表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置主要技術(shù)指標(biāo)是測(cè)溫的準(zhǔn)確性、溫場(chǎng)穩(wěn)定性和表面溫場(chǎng)的均勻性。

1.2 測(cè)溫準(zhǔn)確性

3125型表面溫源配有內(nèi)置控溫用的精密鉑電阻溫度計(jì)，對(duì)準(zhǔn)確度要求不高時(shí)可以直接將溫控儀顯示溫度作為標(biāo)準(zhǔn)值使用。此時(shí)內(nèi)置的鉑電阻溫度計(jì)既是控溫元件，又是標(biāo)準(zhǔn)器。

對(duì)溫度準(zhǔn)確度要求較高時(shí)，需要外置標(biāo)準(zhǔn)器用比較法進(jìn)行校準(zhǔn)。外置標(biāo)準(zhǔn)器最好選用標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)，但目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有理想的標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)。由于該裝置配備了直徑約5mm的專(zhuān)用測(cè)試孔，可以將尺寸匹配的標(biāo)準(zhǔn)器插入等溫塊的中心，作為表面溫源的標(biāo)準(zhǔn)值，如圖1所示。選用一支直徑約為5mm、長(zhǎng)度大于100mm的分度好的A級(jí)以上的鉑電阻溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，插入表面溫源專(zhuān)用測(cè)試孔來(lái)測(cè)量表面溫源的溫度，從而實(shí)現(xiàn)表面溫度計(jì)校準(zhǔn)的量值溯源。所用的A級(jí)以上鉑電阻溫度計(jì)是經(jīng)過(guò)穩(wěn)定性考核并在穩(wěn)定期內(nèi)作過(guò)最新的檢定分度，方能作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器。而且必須注意該標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)插入測(cè)試孔時(shí)應(yīng)有良好的熱接觸，且不留空氣層，可涂上適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱硅脂。

當(dāng)內(nèi)置溫度傳感器不準(zhǔn)時(shí)，還可以利用上述標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)對(duì)該溫度控制器進(jìn)行修正校準(zhǔn)。通過(guò)三個(gè)溫度點(diǎn)如50℃、200℃、400℃的測(cè)試，讀出相應(yīng)溫度的電阻值和標(biāo)準(zhǔn)溫度值，可以按照使用說(shuō)明書(shū)的公式重新計(jì)算R0、ALPHA（α）、DELTA（δ）系數(shù)，輸入溫度控制器保存后就可以提高控制溫度的準(zhǔn)確性。A級(jí)鉑電阻溫度計(jì)允差值為±（0.15+0.002t）℃，而JJG 364—1994對(duì)數(shù)字式表面溫度計(jì)的允許誤差為±2.5%FS，（其中FS為溫度計(jì)測(cè)量范圍的滿(mǎn)量程值），故該標(biāo)準(zhǔn)器完全滿(mǎn)足校準(zhǔn)要求。

圖1 表面溫源校準(zhǔn)示意圖

1.3 控溫穩(wěn)定性

控溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)測(cè)量安裝在表面溫源專(zhuān)用測(cè)試孔的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)來(lái)進(jìn)行。將溫度升高至設(shè)定溫度點(diǎn)，待溫度穩(wěn)定后，每間隔10 s讀取一次參考標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的讀數(shù)，連續(xù)測(cè)量15min，取最大與最小值之差作為控溫穩(wěn)定性的值。按照J(rèn)JG 364—1994的要求，穩(wěn)定性指標(biāo)為1℃/15min。經(jīng)過(guò)數(shù)年的考核，該2200型溫度控制器穩(wěn)定性為0.2℃/15min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于規(guī)程規(guī)定的穩(wěn)定性指標(biāo)。通過(guò)被校表面溫度計(jì)在表面溫源上進(jìn)行溫度干擾試驗(yàn)，該裝置也能較快恢復(fù)受控的穩(wěn)定狀態(tài)。

1.4 溫場(chǎng)均勻性

該表面溫源的有效直徑是96mm，內(nèi)置控溫鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)布置在表面溫源的中心，在進(jìn)行表面溫度計(jì)校準(zhǔn)時(shí)，通常也使用表面溫源的中心位置。溫場(chǎng)均勻性測(cè)試可以使用穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性較好的表面溫度計(jì)進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)使用一塊日本安立計(jì)器公司的表面溫度計(jì)，溫度計(jì)型號(hào)HA-250K，探頭型號(hào)WE-22K型。測(cè)點(diǎn)布置如圖2，1為中心點(diǎn)位置，2、3、4、5為距中心點(diǎn)30mm的位置。測(cè)量溫度點(diǎn)可以選定在偏離環(huán)境溫度最大的溫度點(diǎn)（即上限溫度400℃）上進(jìn)行。待溫度穩(wěn)定后，用溫度計(jì)依次對(duì)5個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)位置測(cè)量10次，取平均值作為該位置的溫度。表1為某次溫差均勻性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表中各點(diǎn)溫度為該位置溫度與中心點(diǎn)1的溫差。溫差中最大與最小值之差作為溫場(chǎng)均勻性。

圖2 溫場(chǎng)均勻性測(cè)點(diǎn)布置

表1 溫場(chǎng)均勻性測(cè)量結(jié)果 單位（℃）

該裝置在400℃時(shí)的溫場(chǎng)均勻性為0.48℃，滿(mǎn)足JJG 364—1994均勻性小于2℃的要求。

綜上所述，3125型表面溫源的主要性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于JJG 364—1994的要求，證明該裝置滿(mǎn)足表面溫度計(jì)的校準(zhǔn)要求，可以作為表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置使用。其他表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置可以參考此方法進(jìn)行判斷是否符合。

2 表面溫度計(jì)及其校準(zhǔn)

2.1 表面溫度計(jì)

表面溫度計(jì)是測(cè)量物體表面溫度的溫度計(jì)。一般由兩部分組成，一部分是感溫元件，另一部分是溫度的顯示部分。表面溫度計(jì)的種類(lèi)很多，按其與被測(cè)對(duì)象的關(guān)系分，有接觸式和非接觸式；按測(cè)溫原理分，有熱電偶式、熱電阻式、熱敏電阻式、輻射式和光纖式等。目前應(yīng)用最廣泛的是接觸式的熱電偶表面溫度計(jì)。本文提及的表面溫度計(jì)為接觸式表面溫度計(jì)。

2.2 表面溫度計(jì)的校準(zhǔn)

最主要的項(xiàng)目是示值誤差校準(zhǔn)，就是用被校表面溫度計(jì)對(duì)表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置工作表面的溫度進(jìn)行測(cè)量，用表面溫度計(jì)的示值與表面溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從而得出表面溫度計(jì)的示值誤差。

表面溫度計(jì)的測(cè)量誤差一方面來(lái)自溫度計(jì)自身的設(shè)計(jì)、尺寸、形狀、材料及制造工藝，另一方面來(lái)自被測(cè)對(duì)象的尺寸、形狀、材料熱物性、表面狀態(tài)等，同時(shí)還與周?chē)h(huán)境、探頭與被測(cè)表面間的接觸熱阻等有關(guān)。由于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)表面溫度計(jì)使用的表面溫源的材質(zhì)與實(shí)際使用時(shí)可能不同，而且表面狀況、環(huán)境條件有所差異，在實(shí)際使用時(shí)會(huì)帶來(lái)不確定的誤差。目前已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行了一些模擬現(xiàn)場(chǎng)工況對(duì)表面溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)的研究，但目前僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，距離實(shí)用還有很大距離。實(shí)際上影響表面溫度計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度很大程度上取決于校準(zhǔn)方法，必須保證被校溫度計(jì)接觸標(biāo)準(zhǔn)裝置后不破壞標(biāo)準(zhǔn)裝置的溫度場(chǎng)，并與接觸表面接觸良好可靠。

2.3 校準(zhǔn)表面溫度計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

（1）室內(nèi)不應(yīng)有明顯的空氣對(duì)流，如果開(kāi)空調(diào)等，也要盡可能在工作區(qū)域加擋板隔離，避免空氣對(duì)流對(duì)表面溫源的影響。

（2）盡可能先將溫度計(jì)探頭置于表面溫源邊緣預(yù)熱，待溫度基本穩(wěn)定后再將探頭移到表面溫源中心進(jìn)行測(cè)量。這樣可以減少對(duì)表面溫源使用區(qū)域溫場(chǎng)的破壞，提高校準(zhǔn)數(shù)值的可靠性。

（3）不同的表面溫度計(jì)，校準(zhǔn)時(shí)需要的等溫時(shí)間也不一樣。校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)有足夠的等溫時(shí)間，使溫度計(jì)探頭與表面溫源達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

（4）應(yīng)注意探頭測(cè)點(diǎn)與被測(cè)表面或表面溫源的正確接觸。如圖3，左圖為正確接觸，偶絲焊接點(diǎn)應(yīng)在正下方，接觸部分平整且有足夠長(zhǎng)的接觸長(zhǎng)度；右圖為不正確接觸，一邊彎得多，另一邊變形小，偶絲焊接點(diǎn)不在校準(zhǔn)點(diǎn)中心，產(chǎn)生附加測(cè)量誤差。尤其使用過(guò)的表面溫度計(jì)，探頭容易發(fā)生變形，影響測(cè)量準(zhǔn)確性。可以通過(guò)調(diào)節(jié)溫度計(jì)的手柄，使探頭測(cè)點(diǎn)與測(cè)溫表面正確接觸，提高校準(zhǔn)可靠性。

圖3 探頭使用狀態(tài)示意圖

（5）帶支承定位螺釘?shù)谋砻鏌犭娕紲囟扔?jì)，在校準(zhǔn)時(shí)將其用力壓在表面溫源上，直至支住為止。該溫度計(jì)校準(zhǔn)時(shí)，要調(diào)整好定位螺釘?shù)母叨?，使探頭測(cè)點(diǎn)與測(cè)溫表面正確接觸；定位螺釘?shù)恼{(diào)整的高度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響正確接觸，產(chǎn)生測(cè)溫誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

本文僅介紹了表面溫度計(jì)本身的校準(zhǔn)，沒(méi)有考慮不同的表面材料如金屬、非金屬、表面的粗糙度、污染等引起不同測(cè)量結(jié)果以及環(huán)境狀況等的綜合影響，這也是進(jìn)一步研究的方向。

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