淺式溫度校驗(yàn)爐的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

摘 要：文章介紹了能夠應(yīng)用于特殊尺寸溫度傳感器校準(zhǔn)淺式溫度校驗(yàn)爐的設(shè)計(jì)，并對(duì)其技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：溫度校驗(yàn)爐；校準(zhǔn)；設(shè)計(jì)

1 概述

干體式溫度校驗(yàn)爐主要應(yīng)用于溫度傳感器的計(jì)量校準(zhǔn)，它主要依靠?jī)?nèi)置均溫快的均溫作用，使插入其中的標(biāo)準(zhǔn)器與被校傳感器保持一致溫度。由于干體式溫度校驗(yàn)爐體積小、重量輕，與比恒溫相比槽攜帶方便，且升溫降溫耗時(shí)段，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)[1]。但是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上還沒有井深小于100mm的干體爐，這使一些尺寸小于100mm的溫度傳感器無法應(yīng)用干體爐進(jìn)行檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種淺式溫度校驗(yàn)爐，其指標(biāo)如下：

（1）溫度范圍：（35～300）℃；

（2）準(zhǔn)確度：±0.3@50℃；±0.3@100℃；±0.3@200℃；±0.6@300℃；

（3）穩(wěn)定性：0.1@100℃；0.3@300℃；

（4）均勻性：±0.2℃（被測(cè)孔與標(biāo)準(zhǔn)孔之間側(cè)溫差）；

（5）井深：（40～50）mm。

2 淺式溫度校驗(yàn)爐的設(shè)計(jì)

淺式溫度校驗(yàn)爐主要由精密鉑電阻、控制器、功率調(diào)節(jié)器和加熱爐四部分組成。淺式溫度校驗(yàn)爐自身構(gòu)成一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，加熱爐體是被控對(duì)象，精密鉑電阻用來測(cè)量恒溫腔體溫度，并實(shí)時(shí)與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制器按PID最優(yōu)控制算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，功率調(diào)節(jié)器根據(jù)該控制信號(hào)產(chǎn)生功率輸出，用來控制加熱爐溫度[2][3]。

淺式溫度校驗(yàn)爐的準(zhǔn)確度主要取決于用來測(cè)腔體溫度的精密鉑電阻溫度計(jì)，根據(jù)《JJF 1257-2010干體式溫度校驗(yàn)器校準(zhǔn)方法》要求，所選用的溫度計(jì)及配套電測(cè)設(shè)備引入的擴(kuò)展不確定度與被校干體爐的技術(shù)指標(biāo)相比盡可能小。規(guī)程中6.1.1中規(guī)定，校準(zhǔn)所用的溫度計(jì)（含外保護(hù)套管）的外徑應(yīng)不大于6mm，其插入深度至少為其外徑的15倍。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)鉑電阻的插入深度大于45mm，所以標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻不適用作為淺式微型溫度校驗(yàn)爐的校準(zhǔn)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)定制了兩個(gè)AA級(jí)的PT100，其含保護(hù)套管的直徑為3mm，配上電測(cè)設(shè)備，作為校準(zhǔn)淺式微型校驗(yàn)爐的標(biāo)準(zhǔn)器。

另一方面，由于淺式溫度校驗(yàn)爐的井深（40～50）mm，相比井深大于100mm的干體式校驗(yàn)爐，被校熱電偶與外界熱交換更為頻繁。考慮到這一問題，在爐口加設(shè)了補(bǔ)償加熱器，以降低被校熱電偶與外界的熱交換[4]。爐口的補(bǔ)償加熱器，與爐底的加熱器共同組成了雙段控溫的結(jié)構(gòu)。

在均溫快材料方面現(xiàn)在有的比較多的是純鋁或紫銅，淺式溫度校驗(yàn)爐使用的是導(dǎo)熱系數(shù)高的紫銅，雖然鋁在高溫情況下不易像紫銅容易氧化，其表面會(huì)形成氧化鋁層起到保護(hù)作用，但鋁導(dǎo)熱系數(shù)沒有紫銅高，且設(shè)計(jì)溫度校驗(yàn)爐最高使用溫度為300度，不用在高溫段使用，故選擇紫銅，以保障淺式溫度校驗(yàn)爐的均勻性。

3 驗(yàn)證方案

驗(yàn)證方法參照J(rèn)JF12157-2010《干體式溫度校準(zhǔn)器校準(zhǔn)方法》。

3.1 溫度偏差

使用AA級(jí)PT100溫度計(jì)作為參考溫度計(jì)，選中心孔作為測(cè)溫孔。在（50～300）℃范圍內(nèi)選取50℃、100℃、200℃、300℃，4個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

將參考溫度計(jì)插入測(cè)溫孔，待溫度達(dá)到設(shè)定的溫度點(diǎn)，穩(wěn)定后，分別記錄校驗(yàn)爐的顯示值和參考溫度計(jì)的測(cè)量值，每分鐘一次，記錄10分鐘。取干體爐顯示值與參考溫度計(jì)測(cè)量值的差值的平均值作為一次測(cè)量結(jié)果。

3.2 溫度波動(dòng)度

將參考溫度計(jì)插入校驗(yàn)爐測(cè)溫孔中，當(dāng)校驗(yàn)爐溫度達(dá)到熱平衡時(shí)，記錄的30min內(nèi)（每2分鐘測(cè)量一次）溫度計(jì)指示的溫度值，取其最大值和最小值的差值的一半，冠以“±”作為校驗(yàn)爐的溫度波動(dòng)度。

3.3 徑向溫場(chǎng)均勻度

為了減少溫度隨時(shí)間的漂移的影響，在校驗(yàn)時(shí)增加一支溫度計(jì)以消除溫度漂移帶來的影響。選相對(duì)距離最遠(yuǎn)的兩孔進(jìn)行孔間的溫度差值的測(cè)量。以不同測(cè)溫孔之間的最大溫度差作為均勻度。

如圖2，設(shè)定溫度為300℃時(shí)，溫度偏差為-0.28℃，孔間溫差平均值為0.15℃，波動(dòng)度為±0.19℃，符合技術(shù)指標(biāo)要求。

同樣方法，測(cè)得設(shè)定溫度為50℃、100℃、200℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，各項(xiàng)結(jié)果均符合技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

驗(yàn)證結(jié)果顯示，該淺式溫度校驗(yàn)儀，在測(cè)量范圍內(nèi)穩(wěn)定性、均勻性和波動(dòng)度各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合要求。由于校驗(yàn)爐井深只有（40～50）mm，能夠滿足插入深度大于50mm的短支溫度傳感器的校準(zhǔn)需求，在（35～300）℃溫度范圍內(nèi)能夠提供穩(wěn)定均勻的熱源。

參考文獻(xiàn)

[1]JJF1257-2010.干體式溫度校驗(yàn)器校準(zhǔn)方法[S].2010.

[2]李晉堯，張明鳴，王燕.基于ITAE的高精度無超調(diào)溫度校驗(yàn)設(shè)備[A].中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)、《儀器儀表學(xué)報(bào)》雜志社、《國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)》雜志社、《電子測(cè)量技術(shù)》雜志社.2008中國(guó)儀器儀表與測(cè)控技術(shù)進(jìn)展大會(huì)論文集（Ⅰ）[C].2008：4.

[3]朱晨彬，姚麗芳，朱欣 ，等.淺式微型溫度校驗(yàn)爐[J].上海計(jì)量測(cè)試，2015，1：17-20.

[4]井彬，陳英濤，于藝.基于熱電偶校準(zhǔn)的精確校驗(yàn)爐設(shè)計(jì)思考[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016，3：171.