淺式溫度校驗爐的設計與驗證

摘 要：文章介紹了能夠應用于特殊尺寸溫度傳感器校準淺式溫度校驗爐的設計，并對其技術指標進行了驗證。

關鍵詞：溫度校驗爐；校準；設計

1 概述

干體式溫度校驗爐主要應用于溫度傳感器的計量校準，它主要依靠內置均溫快的均溫作用，使插入其中的標準器與被校傳感器保持一致溫度。由于干體式溫度校驗爐體積小、重量輕，與比恒溫相比槽攜帶方便，且升溫降溫耗時段，廣泛應用于現場校準[1]。但是目前國內市場上還沒有井深小于100mm的干體爐，這使一些尺寸小于100mm的溫度傳感器無法應用干體爐進行檢測。為實現這一目標，設計了一種淺式溫度校驗爐，其指標如下：

（1）溫度范圍：（35～300）℃；

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

（3）穩定性：0.1@100℃；0.3@300℃；

（4）均勻性：±0.2℃（被測孔與標準孔之間側溫差）；

（5）井深：（40～50）mm。

2 淺式溫度校驗爐的設計

淺式溫度校驗爐主要由精密鉑電阻、控制器、功率調節器和加熱爐四部分組成。淺式溫度校驗爐自身構成一個溫度控制系統，加熱爐體是被控對象，精密鉑電阻用來測量恒溫腔體溫度，并實時與設定值進行比較，控制器按PID最優控制算法產生相應的控制信號，功率調節器根據該控制信號產生功率輸出，用來控制加熱爐溫度[2][3]。

淺式溫度校驗爐的準確度主要取決于用來測腔體溫度的精密鉑電阻溫度計，根據《JJF 1257-2010干體式溫度校驗器校準方法》要求，所選用的溫度計及配套電測設備引入的擴展不確定度與被校干體爐的技術指標相比盡可能小。規程中6.1.1中規定，校準所用的溫度計（含外保護套管）的外徑應不大于6mm，其插入深度至少為其外徑的15倍。因為標準鉑電阻的插入深度大于45mm，所以標準鉑電阻不適用作為淺式微型溫度校驗爐的校準。本項目設計定制了兩個AA級的PT100，其含保護套管的直徑為3mm，配上電測設備，作為校準淺式微型校驗爐的標準器。

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

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

3 驗證方案

驗證方法參照JJF12157-2010《干體式溫度校準器校準方法》。

3.1 溫度偏差

使用AA級PT100溫度計作為參考溫度計，選中心孔作為測溫孔。在（50～300）℃范圍內選取50℃、100℃、200℃、300℃，4個溫度點進行測量。

將參考溫度計插入測溫孔，待溫度達到設定的溫度點，穩定后，分別記錄校驗爐的顯示值和參考溫度計的測量值，每分鐘一次，記錄10分鐘。取干體爐顯示值與參考溫度計測量值的差值的平均值作為一次測量結果。

3.2 溫度波動度

將參考溫度計插入校驗爐測溫孔中，當校驗爐溫度達到熱平衡時，記錄的30min內（每2分鐘測量一次）溫度計指示的溫度值，取其最大值和最小值的差值的一半，冠以“±”作為校驗爐的溫度波動度。

3.3 徑向溫場均勻度

為了減少溫度隨時間的漂移的影響，在校驗時增加一支溫度計以消除溫度漂移帶來的影響。選相對距離最遠的兩孔進行孔間的溫度差值的測量。以不同測溫孔之間的最大溫度差作為均勻度。

如圖2，設定溫度為300℃時，溫度偏差為-0.28℃，孔間溫差平均值為0.15℃，波動度為±0.19℃，符合技術指標要求。

同樣方法，測得設定溫度為50℃、100℃、200℃時的實驗結果如表1所示，各項結果均符合技術指標要求。

4 結束語

驗證結果顯示，該淺式溫度校驗儀，在測量范圍內穩定性、均勻性和波動度各項技術指標均符合要求。由于校驗爐井深只有（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需求，在（35～300）℃溫度范圍內能夠提供穩定均勻的熱源。

參考文獻

[1]JJF1257-2010.干體式溫度校驗器校準方法[S].2010.

[2]李晉堯，張明鳴，王燕.基于ITAE的高精度無超調溫度校驗設備[A].中國儀器儀表學會、《儀器儀表學報》雜志社、《國外電子測量技術》雜志社、《電子測量技術》雜志社.2008中國儀器儀表與測控技術進展大會論文集（Ⅰ）[C].2008：4.

[3]朱晨彬，姚麗芳，朱欣 ，等.淺式微型溫度校驗爐[J].上海計量測試，2015，1：17-20.

[4]井彬，陳英濤，于藝.基于熱電偶校準的精確校驗爐設計思考[J].山東工業技術，2016，3：171.