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文章

提高接触式表面温度计校准可靠性方法

引言

接触式表面温度计(以下简称为表面温度计)大量应用在能源、化工、纺织、机械、电力、航空航天等需要精确测量表面温度的科研和生产中。随着表面温度计的广泛应用,如何对其进行准确的校准成为一个突出的问题。目前,一些校准实验室和厂家使用液体槽对表面温度计进行校准,不能反映温度传感器表面与被测物体表面接触热阻所带来的测量误差,而且极易污染被校温度计的探头,校后清洗不净会给用户带来隐患。另外,表面温度计使用和维护不当,传感器部分容易发生形变。在传感器发生形变的情况下,如用液体槽对表面温度计进行校准,发现不了它的影响;如用表面温源进行校准,则传感器表面不能与被测表面很好接触,接触热阻大大增加,带来很大的测量误差。本文就表面温度计校准中存在的问题,提高表面温度计校准可靠性的方法进行一些探讨。

1表面温度计校准装置

1.1校准装置通用要求

要提高表面温度计校准可靠性,必须要有合适的表面温度计校准装置,并能满足表面温度计的校准要求。通常表面温度计校准装置应满足以下要求:

①工作表面应平整,保证与表面温度计能很好接触;

②工作表面应有一定面积(不小于20×50 mm2)的等温区;

③工作表面温度可控且稳定,有温度干扰后能较快恢复受控状态;

④工作表面温度能够精确测得。目前国内常用的表面温度校准装置有直接加热式、平面热管式和固定点式三种。

本文以哈特(福禄克)公司的3125型直接加热式表面温源及其配用的2200型温度控制器为例介绍表面温度计校准装置。该表面温源的工作表面是经过研磨的铝质,平整光滑;有大约79cm3的圆测试表面;配有温控器,工作表面温度可控且稳定,有温度干扰后能较快恢复受控状态;工作表面温度可通过专用测试孔准确测得。目前,国家尚无表面温度计校准装置的校准规范。依据JJG 364—1994表面温度计检定规程,表面温度计校准装置主要技术指标是测温的准确性、温场稳定性和表面温场的均匀性。

1.2测温准确性

3125型表面温源配有内置控温用的精密铂电阻温度计,对准确度要求不高时可以直接将温控仪显示温度作为标准值使用。此时内置的铂电阻温度计既是控温元件,又是标准器。


对温度准确度要求较高时,需要外置标准器用比较法进行校准。外置标准器最好选用标准表面温度计,但目前国内没有理想的标准表面温度计。由于该装置配备了直径约5 mm的专用测试孔,可以将尺寸匹配的标准器插入等温块的中心,作为表面温源的标准值,如图1所示。选用一支直径约为5mm、长度大于100mm的分度好的A级以上的铂电阻温度计作为标准温度计,插入表面温源专用测试孔来测量表面温源的温度,从而实现表面温度计校准的量值溯源。所用的A级以上铂电阻温度计是经过稳定性考核并在稳定期内作过最新的检定分度,方能作为计量标准器。而且必须注意该标准温度计插入测试孔时应有良好的热接触,且不留空气层,可涂上适当的导热硅脂。当内置温度传感器不准时,还可以利用上述标准温度计对该温度控制器进行修正校准。通过三个温度点如50℃、200℃、400℃的测试,读出相应温度的电阻值和标准温度值,可以按照使用说明书的公式重新计算R0、ALPHA(α)、DELTA(δ)系数,输入温度控制器保存后就可以提高控制温度的准确性。A级铂电阻温度计允差值为±(0.15+0.002t)℃,而JJG 364—1994对数字式表面温度计的允许误差为±2.5%FS,(其中FS为温度计测量范围的满量程值),故该标准器完全满足校准要求。

1.3控温稳定性

控温稳定性实验可以通过测量安装在表面温源专用测试孔的标准温度计来进行。将温度升高至设定温度点,待温度稳定后,每间隔10 s读取一次参考标准温度计的读数,连续测量15 min,取最大与最小值之差作为控温稳定性的值。按照JJG 364—1994的要求,稳定性指标为1℃/15 min。经过数年的考核,该2200型温度控制器稳定性为0.2℃/15 min,远远优于规程规定的稳定性指标。通过被校表面温度计在表面温源上进行温度干扰试验,该装置也能较快恢复受控的稳定状态。

1.4温场均匀性

该表面温源的有效直径是96 mm,内置控温铂电阻和标准温度计布置在表面温源的中心,在进行表面温度计校准时,通常也使用表面温源的中心位置。温场均匀性测试可以使用稳定性和准确性较好的表面温度计进行。本实验使用一块日本安立计器公司的表面温度计,温度计型号HA-250K,探头型号WE-22K型。测点布置如图2,1为中心点位置,2、3、4、5为距中心点30 mm的位置。测量温度点可以选定在偏离环境温度最大的温度点(即上限温度400℃)上进行。待温度稳定后,用温度计依次对5个位置进行测量,每个位置测量10次,取平均值作为该位置的温度。表1为某次温差均匀性实验结果,表中各点温度为该位置温度与中心点1的温差。温差中最大与最小值之差作为温场均匀性。


该装置在400℃时的温场均匀性为0.48℃,满足JJG 364—1994均匀性小于2℃的要求。综上所述,3125型表面温源的主要性能指标远高于JJG 364—1994的要求,证明该装置满足表面温度计的校准要求,可以作为表面温度计校准装置使用。其他表面温度计校准装置可以参考此方法进行判断是否符合。

2表面温度计及其校准

2.1表面温度计

表面温度计是测量物体表面温度的温度计。一般由两部分组成,一部分是感温元件,另一部分是温度的显示部分。表面温度计的种类很多,按其与被测对象的关系分,有接触式和非接触式;按测温原理分,有热电偶式、热电阻式、热敏电阻式、辐射式和光纤式等。目前应用最广泛的是接触式的热电偶表面温度计。本文提及的表面温度计为接触式表面温度计。

2.2表面温度计的校准

最主要的项目是示值误差校准,就是用被校表面温度计对表面温度计校准装置工作表面的温度进行测量,用表面温度计的示值与表面温度计校准装置的标准值进行比较,从而得出表面温度计的示值误差。

表面温度计的测量误差一方面来自温度计自身的设计、尺寸、形状、材料及制造工艺,另一方面来自被测对象的尺寸、形状、材料热物性、表面状态等,同时还与周围环境、探头与被测表面间的接触热阻等有关。由于实验室校准表面温度计使用的表面温源的材质与实际使用时可能不同,而且表面状况、环境条件有所差异,在实际使用时会带来不确定的误差。目前已经有学者进行了一些模拟现场工况对表面温度计进行校准的研究,但目前仅停留在实验室阶段,距离实用还有很大距离。实际上影响表面温度计测量准确度很大程度上取决于校准方法,必须保证被校温度计接触标准装置后不破坏标准装置的温度场,并与接触表面接触良好可靠。

2.3校准表面温度计时应注意的事项

(1)室内不应有明显的空气对流,如果开空调等,也要尽可能在工作区域加挡板隔离,避免空气对流对表面温源的影响。

(2)尽可能先将温度计探头置于表面温源边缘预热,待温度基本稳定后再将探头移到表面温源中心进行测量。这样可以减少对表面温源使用区域温场的破坏,提高校准数值的可靠性。

(3)不同的表面温度计,校准时需要的等温时间也不一样。校准时应有足够的等温时间,使温度计探头与表面温源达到热平衡状态。

(4)应注意探头测点与被测表面或表面温源的正确接触。如图3,左图为正确接触,偶丝焊接点应在正下方,接触部分平整且有足够长的接触长度;右图为不正确接触,一边弯得多,另一边变形小,偶丝焊接点不在校准点中心,产生附加测量误差。尤其使用过的表面温度计,探头容易发生变形,影响测量准确性。可以通过调节温度计的手柄,使探头测点与测温表面正确接触,提高校准可靠性。


(5)带支承定位螺钉的表面热电偶温度计,在校准时将其用力压在表面温源上,直至支住为止。该温度计校准时,要调整好定位螺钉的高度,使探头测点与测温表面正确接触;定位螺钉的调整的高度过高或过低都会影响正确接触,产生测温误差。


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