一種超長桿鉑電阻溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置

曾佳旭， 潘 江， 雷珍珍， 趙文娟， 趙曉東， 孫建平

(1.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限公司，貴州 貴陽 550081；3.廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001；4.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

溫度準(zhǔn)確測量對于提高核電發(fā)電效率、保護(hù)環(huán)境及安全運(yùn)行至關(guān)重要。核電站運(yùn)行過程中的溫度參數(shù)通常使用電阻溫度計(jì)[1]和熱電偶[2]測量。目前，我國商業(yè)運(yùn)營的核電站大多為壓水堆核電站，熱效率僅為30%～35%[3]。壓水堆核電站的第三回路是用來降溫的，需要大量的水作為第三回路冷卻介質(zhì)帶走廢熱[4]；溫度的準(zhǔn)確測量是二、三回路間換熱效率提升的關(guān)鍵，對于整機(jī)效率提升也不可或缺。此外，核電站生產(chǎn)1 kW·h的電力，會(huì)有大約5023.02 kJ的熱量被釋放[5],這就意味著發(fā)電能力為200×104kW的核電站連續(xù)工作24 h，排出的廢熱可以使1×106m3的水溫升高5.5 ℃[6]。帶走廢熱的冷卻水流入核電站鄰近的海洋或河流[7]，隨著水溫升高，會(huì)使河流或海洋中的某些毒物毒性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致一些細(xì)菌的繁殖，破壞水生生態(tài)環(huán)境，造成“熱污染”[8]。

為了準(zhǔn)確測量壓水堆核電站冷卻水水溫，需要定期評估冷卻水測量用的鉑電阻溫度計(jì)的性能。我國最新研發(fā)的壓水堆第三回路為保證足夠的冷卻水流量，管路內(nèi)徑約3 m。為準(zhǔn)確測量冷卻水通道橫截面平均溫度，通常測量溫度使用的鉑電阻溫度計(jì)的長度超過3 m，感應(yīng)元件長度要求接近3 m，有連續(xù)和間斷的2種，如此長桿鉑電阻溫度計(jì)不能通過通用的鉑電阻校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)[9～12]。

目前大多數(shù)核電站使用的長桿鉑電阻溫度計(jì)為工業(yè)B級，根據(jù)參考檢定規(guī)程[13]，本文設(shè)計(jì)了一種用于核電站的超長桿鉑電阻溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置，要求該實(shí)驗(yàn)裝置的測溫不確定度≤0.1 ℃，通過實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行了性能測試，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測量不確定度滿足溫度計(jì)校準(zhǔn)的要求。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)某核電廠所在地的氣候條件，可以確定其冷卻水的溫度范圍為0～40 ℃。用于測量第三回路冷卻水的長桿鉑電阻溫度計(jì)屬于B級工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)，直徑為6.1 mm，長度大約3.2 m，采用四線法連接。在相關(guān)的檢定規(guī)程[13]中，明確說明了B級工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)的測溫允差，而且對恒溫槽的恒溫區(qū)域提出了技術(shù)要求。然而市面上大多數(shù)恒溫槽深度只有60～70 cm左右，所以這些要求通常適用于校準(zhǔn)長度小于60 cm的工業(yè)鉑溫度計(jì)，沒有考慮到核電站使用的超長桿鉑電阻溫度計(jì)與普通工業(yè)鉑溫度計(jì)存在的差異，后者的校準(zhǔn)裝置顯然不適合前者的校準(zhǔn)。目前針對這類超長鉑電阻溫度計(jì)的校準(zhǔn)，尚未有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范文件，為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于對超長桿鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行性能評估。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由測試裝置、低溫/加熱循環(huán)恒溫槽、循環(huán)管、數(shù)字萬用表和多路掃描開關(guān)組成，系統(tǒng)示意圖見圖1所示。

1—計(jì)算機(jī)；2—精密鉑電阻溫度計(jì)；3—保溫層；4—循環(huán)管；5—恒溫槽；6—不銹鋼內(nèi)筒；7—套管支撐板；8—密封法蘭；9—多路掃描開關(guān)；10—數(shù)字萬用表圖1 長桿鉑電阻溫度計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of experimental system

由圖1可知，測試裝置由內(nèi)層、保溫層和外殼3部分組成。內(nèi)層為不銹鋼圓筒，一端封閉，另一端采用法蘭密封，用于插入超長桿鉑電阻溫度計(jì)的4個(gè)銅管穿過法蘭并插入不銹鋼圓筒中，且由圓筒內(nèi)的4個(gè)支撐板支撐；在外殼和內(nèi)筒之間設(shè)置有不銹鋼框架，采用2個(gè)環(huán)氧樹脂板支架支撐不銹鋼內(nèi)筒。

內(nèi)筒與不銹鋼外殼之間填充有硅酸鋁棉，以此來減少熱量損失。在內(nèi)層圓筒筒壁的上下兩端，分別焊接有循環(huán)介質(zhì)(硅油)的進(jìn)口管和出口管，它們通過循環(huán)管與恒溫槽(穩(wěn)定性±0.01 ℃)連接。5個(gè)內(nèi)徑為5 mm的封頭管沿內(nèi)層軸向均勻分布，相距最遠(yuǎn)的兩管間的距離與超長桿鉑電阻溫度計(jì)的感溫元件長度相等；5個(gè)25 Ω短桿精密鉑電阻溫度計(jì)(北京奧維泰生產(chǎn)，中國計(jì)量科學(xué)研究院中溫基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，擴(kuò)展不確定度均為0.005 ℃)分別插入這5個(gè)小直徑管中用作標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，取其溫度平均值作為測試裝置的溫度。根據(jù)前期的不確定度計(jì)算，選擇Keithley 2010 7高性能數(shù)字萬用表作為數(shù)據(jù)采集器，來測量溫度計(jì)的電阻，并采用一個(gè)多路掃描裝置作為掃描開關(guān)進(jìn)行不同溫度計(jì)的切換，數(shù)字萬用表和多路掃描開關(guān)均通過Rs232串口通訊電纜連接到計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖2所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將測試裝置安裝在1個(gè)水平方向呈2°的支架上，且在超長桿鉑電阻溫度計(jì)和銅套管之間填充少量硅油，以減小傳熱阻力。為了提高數(shù)據(jù)采集效率，結(jié)合該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于C#的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。通過該軟件可以實(shí)時(shí)讀取、顯示數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)曲線圖，并判斷恒溫域溫度的穩(wěn)定性。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Experimental system diagram

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

對于恒溫裝置來說，均勻性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，本文對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的均勻性和穩(wěn)定性進(jìn)行了考核。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的均勻性分為水平均勻性和垂直均勻性兩部分，水平均勻性是沿著測試裝置的軸向溫差而垂直均勻性則是垂直于測試裝置的軸平面上的溫差。

水平均勻性的測試在室溫24 ℃下進(jìn)行，測量溫度范圍在-10～100 ℃內(nèi)的5根精密鉑電阻溫度計(jì)讀數(shù)的偏差。

實(shí)驗(yàn)過程中，先開啟循環(huán)恒溫槽，對測試裝置內(nèi)的恒溫介質(zhì)進(jìn)行加熱，約80 min后，測試裝置的溫度接近穩(wěn)定。多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一旦測試裝置的溫度開始穩(wěn)定，可以一直持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，這足以用于超長桿鉑電阻溫度計(jì)的校準(zhǔn)。當(dāng)5個(gè)精密鉑電阻的測量數(shù)據(jù)偏差在±0.015 ℃以內(nèi)時(shí)，認(rèn)為測試裝置內(nèi)恒溫介質(zhì)的溫度達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，開始采集數(shù)據(jù)。在不同的溫度下，硅油具有不同的粘度，所以循環(huán)恒溫槽的泵速也會(huì)產(chǎn)生變化，在-10～0 ℃時(shí)，泵速為22 L/min；在40～85 ℃時(shí)為26 L/min。以5個(gè)精密鉑電阻溫度計(jì)讀數(shù)的平均值作為測試的最終數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 測試裝置的水平溫度數(shù)據(jù)Tab.1 Horizontal temperature data in the test device ℃

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，可以得到不同溫度點(diǎn)和測試裝置內(nèi)水平溫度偏差ΔT的關(guān)系，見圖3所示。

圖3 測試裝置內(nèi)水平溫度偏差ΔT與溫度的關(guān)系Fig.3 Distribution of ΔT at different temperatures

由表1可知，精密鉑電阻溫度計(jì)讀數(shù)的偏差ΔT基本沿測試裝置軸向均勻分布。由圖3可以看出，溫度偏差隨著測試裝置溫度與室溫的偏差升高而變化。通過表1和圖3可以得出，測試裝置在0～40 ℃范圍內(nèi)的水平均勻性在0.029～0.049 ℃之間變化，所測值均小于0.05 ℃；85 ℃之后的溫差數(shù)據(jù)普遍偏大，與之前的數(shù)據(jù)相比有較為明顯的不同。由此可以得出結(jié)論，當(dāng)測試裝置的溫度越接近環(huán)境溫度，測試裝置與環(huán)境的換熱量就越小，測試裝置內(nèi)的溫度受環(huán)境的影響也就越小，水平均勻性越好。

在測量垂直均勻性時(shí)，采用超長桿鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行測量，見圖4。將3個(gè)超長桿鉑電阻溫度計(jì)(A，B和C)插入3個(gè)銅管中；當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，按圖5所示的順序依次改變3個(gè)超長桿鉑電阻溫度計(jì)的位置；根據(jù)每根溫度計(jì)在不同位置處的讀數(shù)偏差來獲得測試溫度在0 ℃和40 ℃時(shí)的垂直均勻性。

圖4 鉑電阻銅套管位置分布圖Fig.4 Position distributions of the copper sleeves

圖5 溫度計(jì)位置變更順序Fig.5 Position changing order of PRTs

根據(jù)0 ℃和40 ℃下不同位置的垂直均勻性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到超長桿鉑電阻溫度計(jì)A、B和C在0 ℃和40 ℃時(shí)不同位置的讀數(shù)偏差，如圖6所示，且根據(jù)圖6的2幅圖，可以算出測試裝置分別在0 ℃和40 ℃時(shí)的垂直均勻性，結(jié)果見表2所示。

表2 0 ℃和40 ℃測試裝置的垂直均勻性Tab.2 Uniformity along the cross section of test device ℃

圖6 不同位置的溫差圖Fig.6 Temperature difference at different positions

根據(jù)計(jì)算可以得出，在0 ℃時(shí)垂直均勻性的平均值為0.008 ℃，在40 ℃時(shí)為0.017 ℃，兩者均小于0.02 ℃。根據(jù)JJG 229-2010檢定規(guī)程[13]，校準(zhǔn)裝置恒溫介質(zhì)的軸向均勻性要小于0.02 ℃，垂直于軸的均勻性要小于0.01 ℃；但這些要求是只考慮了校準(zhǔn)普通的工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)時(shí)的需求，一般工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)感溫元件通常短于10 cm，而超長桿鉑電阻溫度計(jì)的傳感元件長度超過2.5 m，有些甚至達(dá)到3 m；所以將這些規(guī)定應(yīng)用于超長桿鉑電阻溫度計(jì)的相應(yīng)系統(tǒng)顯然是不合理的。

對于這些特殊的長桿鉑電阻溫度計(jì)，其傳感元件通常是1根鉑絲傳感器或3個(gè)獨(dú)立傳感器的組合,在實(shí)際使用過程中，這些溫度計(jì)被插入溫度套管中進(jìn)行測量。為了準(zhǔn)確評估超長桿鉑電阻溫度計(jì)的性能，實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)盡可能接近其工作條件，同時(shí)為了減少測量系統(tǒng)帶來的額外不確定性，測量系統(tǒng)的不確定度應(yīng)小于被測對象允差的1/3。出于此原因，我們認(rèn)為本文中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)比普通標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)系統(tǒng)更適用于超長桿鉑電阻溫度計(jì)性能的評估。

4 不確定度分析

該裝置校準(zhǔn)的不確定度來源主要有：測試裝置的穩(wěn)定性和均勻性,精密鉑電阻溫度計(jì)的不確定性,數(shù)字萬用表Keithley 2010的測量不確定度,以及多路掃描開關(guān)引入的不確定性。根據(jù)多路掃描開關(guān)的說明書，開關(guān)系統(tǒng)的寄生電勢小于0.4 μV，與其他項(xiàng)目相比僅為微量，所以多路掃描開關(guān)引入的不確定度可以忽略，重點(diǎn)考慮對測量結(jié)果不確定度影響較大的其他幾項(xiàng)。

(2)u2為水平方向的不確定度，它是由測試裝置內(nèi)恒溫域水平方向溫差引起的。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，在40 ℃時(shí)，測試裝置的水平溫差為0.036 ℃，采用均勻分布，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.010 3 ℃。

(3)u3為垂直方向的不確定度，它是由測試裝置內(nèi)恒溫域截面溫差引起的。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，測試裝置的垂直溫度均勻性取A、B和C測量結(jié)果中的最大值。

(4)u4為Keithley 2010數(shù)字萬用表產(chǎn)生的不確定度。在用數(shù)字萬用表測量精密鉑電阻溫度計(jì)的阻值時(shí)，其測量誤差可根據(jù)數(shù)字萬用表使用說明書得到：允許誤差為±(100×10-6×讀數(shù)+10×10-6×量程)。而精密鉑電阻溫度計(jì)為Pt25，所以測量時(shí)應(yīng)該選取量程為100 Ω的檔，因此在40 ℃時(shí)，允許誤差約為0.010 3 ℃，采用均勻分布，得出Keithley 2010的測量不確定度為0.005 9 ℃。

(5)u5為精密鉑電阻溫度計(jì)產(chǎn)生的不確定度。該5根精密鉑電阻溫度計(jì)使用前在中國計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果見表3所示。由校準(zhǔn)結(jié)果可知，5根精密鉑電阻溫度計(jì)的擴(kuò)展不確定度均為0.005 ℃，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.002 5 ℃，自熱效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度取5根精密鉑電阻溫度計(jì)中最大值0.001 1 ℃，將精密鉑電阻溫度計(jì)引入的不確定度粗略地視為其標(biāo)準(zhǔn)不確定度與自熱效應(yīng)引入的不確定度之和，即0.003 6 ℃。

表3 精密鉑電阻溫度計(jì)的校準(zhǔn)結(jié)果Tab.3 Calibration result for five short precision platinum resistance thermometers

以上不確定度的分析均是采用B類不確定度評估方法，表4列出了40 ℃的測量不確定度的估算表。

表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度估算Tab.4 Summary of standard uncertainty ℃

由表4可以看出，溫度穩(wěn)定性和水平溫度均勻性是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不確定性的主要原因。為了更好地比較4個(gè)不同的超長桿鉑電阻溫度計(jì)的性能，在后續(xù)研究中，可以考慮增強(qiáng)測試裝置內(nèi)流動(dòng)的湍流強(qiáng)度，進(jìn)一步降低垂直均勻性。

根據(jù)不確定度評定結(jié)果，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度僅為0.032 ℃，不到0.1 ℃的1/3。因此，當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于超長桿鉑電阻溫度計(jì)的性能評估時(shí)，由該系統(tǒng)引入的不確定度可以忽略不計(jì)。

5 結(jié) 論

在壓水堆核電站中，第三回路冷卻水的溫度用特殊的超長桿鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行測量，為了準(zhǔn)確評估這些特殊溫度計(jì)的性能，本文設(shè)計(jì)了用于校準(zhǔn)長桿鉑電阻溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，水平放置待評估的溫度計(jì)且使用循環(huán)恒溫流體來保持測試裝置的溫度恒定，通過實(shí)驗(yàn)，得出在0～40 ℃的范圍內(nèi)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于±0.015 ℃，水平和垂直溫度均勻性分別優(yōu)于0.05 ℃和0.02 ℃，測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.016 ℃，擴(kuò)展不確定度為0.032 ℃，由此表明，該系統(tǒng)可以有效地評估超長桿鉑電阻溫度計(jì)。