对干体式温度校准器轴向温场均匀性的分析研究

陈素  

河北省计量监督检测研究院，河北 石家庄 050051

摘要：干体式温度校准器在温度测量中，容易受到其本身孔间温差、被校探头长度尺寸、温场不均匀等多种因素的影响，导致其测量数据不准确。尤其在校准温度与环境温度相差较大时，干体式温度校准器感温区易受环境温度因素影响，测温准确性难以保障。本文着重分析了干体式温度校准器轴向温场均匀性对测温结果的影响，并对测量结果进行了不确定度评定。方便使用者应用选型，以提高测温准确性。

关键词：干体式温度校准器 轴向温场均匀性 不确定度

0 概述

干体式温度校准器（以下简称干体炉）主要用于对温度传感器的校准，由于其体积小，重量轻，与恒温槽相比要便于携带，且升降温耗时短，因此被广泛应用于工业现场。市面上的干体炉种类繁多，基本涵盖了（-80~1300）℃的主要测温范围。为了满足对不同种类长短不一的温度探头的校准，干体炉测量温场深度不一，轴向温场均匀性得不到保障，测温准确性一直困扰着现场的温度校准人员。本文选用一稳定的干体炉，对其进行轴向温场均匀性实验，分析校准温度与插入深度的影响关系，评定其测量结果不确定度。 

1 轴向温场最大温差的测量方法

JJF 1257-2010《干体式温度校准器校准方法》技术规范中对干体炉轴向温场的测量给出了几类参考测量方法。常用的是使用小尺寸感温元件进行测量，干体炉从底部向上至少有40mm长度的测量温场区域，测量步骤如下：

1）首先将温度计放入校准器底部进行测量；

2）将温度计向上提20mm后进行测量；

3）将温度计向上提40mm后进行测量；

4）最后将温度计再次放入校准器底部进行测量。

校准规范中没有给出如何计算干体炉轴向温场，笔者认为应按照恒温箱或恒温槽等设备校准规范中对温场测量的计算方法，即测量完成后，取四次测量结果中最大值与最小值之差，作为干体炉工作区域轴向温场的最大温差。

1.1 实验设计

选用的实验设备：FLUKE 9172干体炉，测温范围：（35~425）℃，均温块井深203mm，能够满足规范要求的不少于40mm长度的测量温场。测量标准为铂电阻温度计，测温范围：（0~419.527）℃，铂电阻外径与测温孔孔径的间隙d＜1mm。其中铂电阻与均温块底端的距离为h。

将标准铂电阻温度计插入干体炉测量孔底部，即铂电阻与均温块底端的距离h为0，设定干体炉温度为200℃，待干体炉到达校准温度（设定温度）并稳定1小时后，读取标准铂电阻温度计示值，每隔1分钟读取一次，共读取10次读数，取10次读数的平均值作为本次测量结果t₁；将标准铂电阻温度计从干体炉底部向上提至20mm，即h为20mm，待温度稳定后，用同样的读数方法，取10次读数的平均值作为测量结果t₂；再次提至40mm处，h为40mm，温度稳定后读取10次标准铂电阻示值，取平均值作为测量结果t₃；将标准铂电阻温度计再次放置底部，待温度计稳定后，读取示值t₄，在t₁、t₂、t₃、t₄中找出最大值和最小值，最大值减去最小值的差即为工作区域轴向温场的最大温差。

1.2 实验结果

本文选取的干体炉均温块井深203mm，为了观察插入深度对测量结果的影响，本文在实验设计中，除了按照规范提供的测量方法外，在将铂电阻上提40mm读取数值后，继续上提铂电阻至50mm、100mm，观察插入深度对测量结果的影响。共测量6次。

实验数据如表1所示。

                表1 不同插入深度下的测量结果                    ℃

计算6次重复测量的平均值，数据如图1所示：

图1 铂电阻插入深度对温度测量的影响

按照规范中测量方法，分别将铂电阻提至距干体炉底部0mm，20mm，40mm，0mm四处位置进行温度测量，从图1可看出，校准数据变化不大，最大温差为0.05℃，笔者查阅相关资料，因本次试验选用的干体炉采用的是双段控温技术，在垂直方向上使用上下两层双路控温的方式，提高了产品轴向均匀性。按照以往检测经验，大部分干体炉会随着插入深度减少，显示温度数值降低，因测温点距离井底越远，热损越大，温度计的感温区受到环境温度影响，导致校准温度值也逐渐减小，整个折线图呈下降趋势。从图1中可看出，随着插入深度减小，当将标准铂电阻温度计提升至100mm时，干体炉显示值明显降低，实测值减小了0.3℃。因此选用合适的干体炉在工业现场进行温度计检测至关重要，如果干体炉的测温区域轴向较短，被检温度计尽量插入底部，以免造成插入深度不够，影响测温准确性。

2测量结果不确定度分析

将标准铂电阻插入干体炉底部，在200℃时进行轴向温场均匀性测量，分析测量结果的不确定度。

2.1  数学模型

工作区域轴向温场的最大温差， 

2.2  测量不确定度主要来源

1）测量重复性

2）标准铂电阻短期稳定性

3）电测仪表短期稳定性

4）电测仪表分辨力

2.3  标准不确定度分量的计算

1）测量重复性引入的标准不确定度分量

将标准铂电阻插入干体炉底部，在200℃ 时，按照轴向温场均匀性测量方法对温场均匀性测量6次，轴向温场最大温差测量数据如表1所示，计算得

（mK）。

2 ） 标准铂电阻短期稳定性引入的标准不确定度分量

标准铂电阻温度计的短期稳定性估计不超过1mK，取半宽区间为0.5mK，按均匀分布处理，则（mK）

3）  电测仪表分辨力引入的标准不确定度分量

电测仪表分辨力为1mK，读数区间半宽为0.5mK，按均匀分布，则（mK）

2.4  合成标准不确定度

（mK）=0.02℃

2.5  扩展不确定度

取包含因子k=2，则℃

3 结论

从对轴向温场均匀性的测量结果不确定度评定过程发现，主要是测量重复性引入的不确定度，本次实验选用的干体炉井深203mm，规范中标准铂电阻测量区域为（0~40）mm，两者尺寸相差较大，感温区所受环境温度的影响较小，从实验数据中也可看出，40mm的测量温场变动对测量结果影响很小，测量重复性带来的不确定度也较小。实验过程中当将标准铂电阻温度计提升至100mm时，测得的干体炉温度数值明显降低，温度偏差已经超出了该仪器的允许误差。市面上很多干体炉测量区域轴向尺寸较小，插入深度很短，当测量温度跟环境温度相差较大时，测量结果极易受到影响，因此选用合适的干体炉在工业现场进行温度计检测至关重要。

参考文献 

[1] JJF 1257-2010 干体式温度校准器校准方法 

[2] JJF 1030-2010 恒温槽技术性能测试规范 

[3]干体式温度校准器的不确定度的评定[J]. 闵琪涛.计量与测试技术，2017(5)