環(huán)境試驗設(shè)備參數(shù)測量
——溫度傳感器響應(yīng)時間對測量結(jié)果的影響

伍偉雄，周裕華，謝凱鋒

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

對于環(huán)境試驗設(shè)備的溫度測量[1]，溫度傳感器的響應(yīng)時間，不僅影響設(shè)備溫度變化速率的測量結(jié)果，同樣影響設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)時溫度偏差[2]、波動度、均勻度的測量結(jié)果，對于這個問題，也許未能引起人們的足夠重視。

在環(huán)境試驗設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對溫度傳感器響應(yīng)時間的規(guī)定各不相同，也沒有明確指出是在液體中的響應(yīng)時間，還是在空氣中的響應(yīng)時間。

JJF 1101—2003《環(huán)境試驗設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》[3]給出了穩(wěn)定狀態(tài)測量時，溫度傳感器和測量儀器組成的測量系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于15 s，沒有說明是液體中的響應(yīng)時間還是空氣中的響應(yīng)時間。由于該規(guī)范沒有溫度變化速率測量項目，所以沒有給出溫度變化速率測量時對溫度傳感器響應(yīng)時間的要求。

JJF 1270—2010《溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》[4]給出了穩(wěn)定狀態(tài)測量時，溫度傳感器的溫度響應(yīng)時間小于15 s，測量溫度變化速率時，溫度傳感器的溫度響應(yīng)時間小于0.5 s，沒有說明是液體中的響應(yīng)時間還是空氣中的響應(yīng)時間。

GB/T 5170.2—2017 《環(huán)境試驗設(shè)備檢驗方法 第2部分：溫度試驗設(shè)備》[5]給出了穩(wěn)定狀態(tài)測量時，溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成的測量系統(tǒng)，在空氣中溫度響應(yīng)時間小于40 s，當(dāng)測量溫度變化速率時，測量系統(tǒng)的溫度響應(yīng)時間小于0.5 s。

本文通過一個簡單的對比測量實驗，說明溫度傳感器的響應(yīng)時間，對設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)下溫度偏差、溫度波動度、溫度均勻度的測量結(jié)果，也有不可忽視的影響，期望能引起人們的足夠重視。

1 影響分析

溫度傳感器的響應(yīng)時間，反映的是傳感器對溫度變化的跟隨能力，響應(yīng)時間越小，跟隨溫度變化的能力越強，反之響應(yīng)時間越大，跟隨溫度變化的能力越差。

環(huán)境試驗設(shè)備的溫度測量，需要測量設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)時的溫度偏差、溫度波動度、溫度均勻度，在變化狀態(tài)時測量設(shè)備的溫度變化速率。試驗設(shè)備的所謂穩(wěn)定狀態(tài)，是指在某一溫度范圍內(nèi)波動，而非靜止不動，這種波動通常不是規(guī)律性的。因此，溫度傳感器需要有一定的跟隨溫度變化能力。

空氣的熱容量小，導(dǎo)熱性差，這是空氣的固有特性，與之相反，液體的熱容量大，導(dǎo)熱性好。正是熱容量和導(dǎo)熱性這兩種特性，造成了以空氣為介質(zhì)的恒溫設(shè)備，如環(huán)境試驗設(shè)備，它的穩(wěn)定性和均勻性，比以液體為介質(zhì)的恒溫槽差了約一個數(shù)量級以上。

使用溫度傳感器測量環(huán)境試驗設(shè)備的空氣溫度，是一種接觸式的溫度測量方法。接觸式溫度測量，意味著溫度傳感器與被測介質(zhì)會發(fā)生熱交換，而且這種熱交換需要達到一種平衡狀態(tài)，才能正確測得被測對象的溫度。

溫度傳感器的熱容量是影響其響應(yīng)時間的核心原因，熱容量越大，意味著需要吸取更多的熱量，才能使傳感器與被測達到熱平衡，這時傳感器跟隨溫度變化的能力就會越差，即它的響應(yīng)時間就會越大。與之相反，熱容量越小，意味著需要吸取更少的熱量，就可以使傳感器與被測達到熱平衡，傳感器的跟隨溫度變化的能力就會越強，即它的響應(yīng)時間就會越小。

環(huán)境試驗設(shè)備的溫度測量，實質(zhì)上是測量其工作空間內(nèi)的空氣溫度，而空氣的熱容量比溫度傳感器的熱容量小得多，特別是采用金屬做外殼封裝的溫度傳感器，它的熱容量比空氣大很多。所以，熱容量大的溫度傳感器，它的響應(yīng)時間就比較大，當(dāng)空氣發(fā)生相對較快的溫度變化時，溫度傳感器測得的溫度，偏離實際的溫度就會比較大，與之相反，熱容量小的溫度傳感器，它的響應(yīng)時間就比較小，溫度傳感器測得的溫度，偏離實際的溫度就會比較小。

2 實驗設(shè)計

實驗的目的主要是證實溫度傳感器的響應(yīng)時間，對環(huán)境試驗設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)下溫度測量結(jié)果的影響，因此需要選擇不同響應(yīng)時間的溫度傳感器，對環(huán)境試驗設(shè)備進行實際的溫度測量。目前，接觸式測溫的溫度傳感器，主要是熱電阻溫度傳感器[6]和熱電偶溫度傳感器，熱電偶溫度傳感器的響應(yīng)時間，通常比熱電阻溫度傳感器的響應(yīng)時間要小。

環(huán)境試驗設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)下，需要測量的項目是溫度偏差、溫度波動度、溫度均勻度，按照溫度偏差、溫度波動度、溫度均勻度的定義，用不同響應(yīng)時間的溫度計同時測量設(shè)備的溫度波動度，如果溫度波動度測量結(jié)果不同，必然會導(dǎo)致溫度偏差和溫度均勻度測量結(jié)果不同。因此，在本實驗中，只需要使用不同響應(yīng)時間的溫度傳感器測量設(shè)備的溫度波動度，然后通過比較它們的測量結(jié)果，即可得到溫度傳感器響應(yīng)時間對測量結(jié)果的影響，而不必測量溫度偏差和溫度均勻度。

選取一支約φ6.4 mm×508 mm鎧裝的二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計，一支約φ4 mm×35 mm鎧裝的A級鉑電阻溫度計[7]，一支約φ2 mm×2 000 mm鎧裝的工業(yè)熱電偶溫度計，這三支溫度計由于感溫端的大小不同，因而熱容量不相同，即響應(yīng)時間不相同。三支溫度計響應(yīng)時間的大小依次為二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計、A級鉑電阻溫度計、工業(yè)熱電偶溫度計。按照溫度波動度的定義，波動度是指在某時間段內(nèi)測得的最大值與最小值之間的差值，因此不需要考慮三支溫度計測量的量值是否準(zhǔn)確。

3 實驗測試

用所選取的三支溫度計，分別放置在一臺超高穩(wěn)定性的溫度箱的幾何中心位置，在溫度箱穩(wěn)定后，每1 min測量1次，共測30次，然后分別計算三支溫度計所測得的溫度波動度。溫度波動度測量的溫度點分別為50 ℃、100℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃，測量結(jié)果如表1。

4 實驗結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的響應(yīng)時間最大，在所有的測試溫度點中，測得的溫度波動度最小，熱電偶溫度計的響應(yīng)時間最小，測得的溫度波動度最大。本實驗雖然沒有三支溫度計響應(yīng)時間的具體數(shù)據(jù)，但標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的響應(yīng)時間比A級鉑電阻溫度計要大，A級鉑電阻溫度計的響應(yīng)時間又比熱電偶溫度計大是肯定的。從測量數(shù)據(jù)上看， A級鉑電阻溫度計的測量結(jié)果，比標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的測量結(jié)果大近兩倍，熱電偶溫度計的測量結(jié)果，又比A級鉑電阻溫度計的測量結(jié)果大近兩倍，說明溫度傳感器的響應(yīng)時間，對環(huán)境試驗設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)下的測量結(jié)果也有顯著影響。

實驗結(jié)果也說明，由于空氣的熱容量小，使用鉑電阻溫度計或熱電偶溫度計等接觸式測溫傳感器，實質(zhì)上是無法測得環(huán)境試驗設(shè)備工作空間中空氣瞬時的實際溫度，只能是溫度傳感器的響應(yīng)時間越小，測量值越接近空氣瞬時的實際溫度。

5 實驗結(jié)論

從本實驗的結(jié)果來看，溫度傳感器的響應(yīng)時間對測量結(jié)果的影響是明確的，而且影響顯著，應(yīng)引起人們的認真對待和重視，比如在制訂環(huán)境試驗設(shè)備相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、校準(zhǔn)規(guī)范時，認真考慮測量溫度所用傳感器的響應(yīng)時間對測量結(jié)果的影響，給出合理的溫度傳感器響應(yīng)時間范圍，在使用溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)時，合理分析傳感器響應(yīng)時間帶來的影響等等。

表1 三支溫度計同時測量溫度箱溫度波動度的測量結(jié)果

實驗的結(jié)果還提示我們，JJF 1101-2003《環(huán)境試驗設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定溫度傳感器和測量儀器組成的測量系統(tǒng)的溫度響應(yīng)時間小于15 s，JJF 1270-2010《溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定溫度傳感器的溫度響應(yīng)時間小于15 s，GB/T 5170.2-2017《環(huán)境試驗設(shè)備檢驗方法 第2部分：溫度試驗設(shè)備》規(guī)定溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成的測量系統(tǒng)，在空氣中溫度響應(yīng)時間小于40 s，這些規(guī)定只給出了響應(yīng)時間的上限，沒有給出下限。這就有可能出現(xiàn)使用響應(yīng)時間大的溫度傳感器，測量環(huán)境試驗設(shè)備的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)，而使用響應(yīng)時間小的溫度傳感器，測量環(huán)境試驗設(shè)備的溫度在規(guī)定范圍外的情況。因此，在環(huán)境試驗設(shè)備溫度測量的實際工作中，應(yīng)注意分析溫度傳感器響應(yīng)時間對測量結(jié)果的影響，選擇合適響應(yīng)時間的溫度傳感器。

6 結(jié)束語

溫度傳感器響應(yīng)時間對環(huán)境試驗設(shè)備溫度測量的影響，這個問題的提出，它的意義在于，當(dāng)我們需要使用、評價所測得的環(huán)境試驗設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)時，不應(yīng)忽略、遺漏測量傳感器響應(yīng)時間對測得的溫度值的影響，恰當(dāng)評價傳感器響應(yīng)時間對測量值的不確定度貢獻。同時，另一個意義還在于，當(dāng)我們制訂環(huán)境試驗設(shè)備溫度測量的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、校準(zhǔn)規(guī)范時，應(yīng)該給出合適的溫度傳感器響應(yīng)時間范圍，使最大響應(yīng)時間和最小響應(yīng)時間測得的結(jié)果的差異，控制在合理的范圍內(nèi)。

遺憾的是，到目前為止，接觸式測溫傳感器的響應(yīng)時間，如何確定和測量，并沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或校準(zhǔn)規(guī)范，JJF 1049-1995《溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)規(guī)范》[8]是對高速氣流狀態(tài)下溫度傳感器響應(yīng)時間的校準(zhǔn)，而非本文所說的環(huán)境試驗設(shè)備溫度測量的情況。

一個簡單的實驗，雖然證實了溫度傳感器響應(yīng)時間對測量結(jié)果有不可忽視的影響，然而，傳感器響應(yīng)時間對測量結(jié)果影響的程度等問題，還需要更多的實驗和探索。