紀(jì)金龍 / 廈門市計(jì)量檢定測(cè)試院

烙鐵溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置

紀(jì)金龍 / 廈門市計(jì)量檢定測(cè)試院

介紹了烙鐵溫度計(jì)的工作原理、用途及其校準(zhǔn)現(xiàn)狀和校準(zhǔn)方法，提出一種智能化、高準(zhǔn)確度烙鐵溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置的研制思路。該校準(zhǔn)裝置主要由恒溫腔及其加熱系統(tǒng)、機(jī)械臂智能按壓系統(tǒng)、高精密溫度測(cè)量系統(tǒng)組成。本文重點(diǎn)討論了智能按壓系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方式。該研究成果可有效提高烙鐵溫度計(jì)的校準(zhǔn)效率和準(zhǔn)確性。

烙鐵溫度計(jì)；校準(zhǔn)裝置；恒溫體；AI-5600高精密數(shù)字溫度計(jì)

0 引言

隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)焊接工藝的要求越來越高。為保證被焊接元器件的安全可靠和性能穩(wěn)定，必須根據(jù)不同元件材料和生產(chǎn)工藝對(duì)電烙鐵焊嘴溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，溫度過高或者過低均會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量，特別是對(duì)焊接的長(zhǎng)期可靠性產(chǎn)生一定影響。實(shí)際焊接工作中，特別是在高端電子產(chǎn)品行業(yè)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量使用烙鐵溫度計(jì)，用于監(jiān)測(cè)電烙鐵焊頭的溫度，以判斷電烙鐵是否保持正常工作狀態(tài)。因此，為保證被焊接器件的性能安全可靠，確保實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控電烙鐵焊嘴溫度，需要對(duì)烙鐵溫度計(jì)的溫度測(cè)量性能進(jìn)行定期校準(zhǔn)。

1 烙鐵溫度計(jì)的校準(zhǔn)現(xiàn)狀

烙鐵溫度計(jì)是一種用于校準(zhǔn)或測(cè)試電烙鐵焊嘴溫度的重要計(jì)量?jī)x器，通常由溫度傳感器、信號(hào)處理電路和溫度顯示單元組成，其工作原理如下：烙鐵溫度計(jì)的溫度傳感器感受來自電烙鐵焊嘴的瞬時(shí)溫度，迅速產(chǎn)生溫差熱電動(dòng)勢(shì)，其溫度測(cè)量電路根據(jù)測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)實(shí)時(shí)顯示電烙鐵焊嘴當(dāng)前溫度。

測(cè)量時(shí)，電烙鐵焊嘴須緊密接觸溫度傳感器，見圖1。烙鐵溫度計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)一般為1.0級(jí)，分辨力為1 ℃，測(cè)量范圍一般是0～600 ℃，常見的有國(guó)內(nèi)快客電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)的QUICK 191A型和日本白光公司生產(chǎn)的HAKKO FG-100型兩種產(chǎn)品，主要性能參見表1。

圖1 用于測(cè)量電烙鐵焊嘴溫度的烙鐵溫度計(jì)

圖2 溫度傳感器

表1 兩種烙鐵溫度計(jì)的技術(shù)參數(shù)

對(duì)于烙鐵溫度計(jì)的校準(zhǔn)，至今還沒有制定國(guó)家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范，也沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)器和校準(zhǔn)裝置。目前，校準(zhǔn)工作主要參考JJG 617-1996《數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀》[1]。這種方法僅僅對(duì)烙鐵溫度計(jì)的溫度指示部分進(jìn)行校準(zhǔn)，而沒有對(duì)烙鐵溫度計(jì)的溫度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，無法實(shí)現(xiàn)烙鐵溫度計(jì)的全面校準(zhǔn)。

烙鐵溫度計(jì)的傳感器感溫部分為K型熱電偶，呈星形狀，利用三個(gè)對(duì)稱角把感溫頭鑲嵌在儀表右下側(cè)的凹槽內(nèi)，其中感溫頭直徑不足2 mm，端面面積小于4 mm2，且引線長(zhǎng)度不超過10 mm，見圖2。由于感溫頭小，難以對(duì)它進(jìn)行準(zhǔn)確校準(zhǔn)。以工業(yè)I級(jí)K 型熱電偶為例，在300 ℃時(shí)的最大允許誤差約為±1.2 ℃，因此忽略溫度傳感器部分的誤差必然造成烙鐵溫度計(jì)監(jiān)控電烙鐵時(shí)產(chǎn)生溫度偏差。為此本文根據(jù)2015年發(fā)布的《烙鐵溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范征求意見稿》要求，設(shè)計(jì)了一種智能化、高準(zhǔn)確度的烙鐵溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器示值誤差的準(zhǔn)確校準(zhǔn)，及時(shí)滿足企業(yè)的計(jì)量需求。

2 烙鐵溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置

2.1 研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外針對(duì)烙鐵溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置開展的研究仍鮮見報(bào)道，市場(chǎng)上還未有該類產(chǎn)品。目前只有浙江省計(jì)量科學(xué)研究院有該方面的研究，其方案為采用模擬烙鐵焊嘴的恒溫腔結(jié)構(gòu)提供恒定溫度源[2]。這種模擬標(biāo)準(zhǔn)電烙鐵結(jié)構(gòu)的手持式恒溫源，由于其工作表面與烙鐵溫度計(jì)感溫頭的接觸情況對(duì)溫度影響很大，校準(zhǔn)人員引入的人為誤差較大，校準(zhǔn)重復(fù)性差，可操作性不強(qiáng)。本文通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用機(jī)械臂智能按壓的方式消除人為誤差，并引入本單位自行研發(fā)的AI-5600高精密溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)量，以提高校準(zhǔn)的效率和準(zhǔn)確性。

2.2 校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

該校準(zhǔn)裝置主要由恒溫腔及其加熱系統(tǒng)、機(jī)械臂智能按壓系統(tǒng)、高精密溫度測(cè)量系統(tǒng)組成。原理如下：溫度控制系統(tǒng)對(duì)恒溫腔頭內(nèi)的熱電偶溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，通過比較電路將輸出信號(hào)反饋至加熱系統(tǒng)，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)工作，直至恒溫腔頭達(dá)到預(yù)定的恒溫溫度；通過機(jī)械臂的智能按壓，將恒溫腔頭與烙鐵溫度計(jì)的溫度傳感器壓緊；AI-5600高精密數(shù)字溫度計(jì)實(shí)時(shí)精密測(cè)量恒溫腔頭溫度，以此作為校準(zhǔn)的參考溫度。通過合理的恒溫腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]（見圖3）保持工作表面的溫度可控且穩(wěn)定，并具有一定帶載能力，以克服溫度瞬變問題，滿足校準(zhǔn)工作要求。

圖3 恒溫腔結(jié)構(gòu)

恒溫腔采用圓柱型的高純度紫銅制作，并將恒溫腔頭設(shè)計(jì)成凸字形，以使恒溫體和感溫頭緊密接觸；恒溫腔內(nèi)部采用PTC熱敏電阻（PTCR）加熱體，其升溫迅速、功耗小，且具有良好的恒溫特性；恒溫腔的外部包裹云母片保溫材料，以減少環(huán)境溫度波動(dòng)的影響；智能按壓系統(tǒng)保證了校準(zhǔn)時(shí)的按壓緊實(shí)且不破壞感溫頭；AI-5600標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器內(nèi)置于恒溫腔頭，可實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度變化。

2.3 智能按壓系統(tǒng)

機(jī)器臂具有高效率、高可靠性、低勞動(dòng)強(qiáng)度等特點(diǎn)，在各領(lǐng)域都得到了迅速發(fā)展。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖4所示，裝置具有三個(gè)自由度（前后X軸，左右Y軸，上下Z軸），恒溫體集成于Z軸機(jī)械臂上。利用PLC（可編程邏輯控制器）將恒溫體運(yùn)行到所需按壓的點(diǎn)位，對(duì)準(zhǔn)并記錄下此點(diǎn)位的位置。PLC是機(jī)械臂控制的核心，采用歐姆龍CP1E-N30DT-A型小型PLC，可以控制10個(gè)點(diǎn)以上。通過定制裝置平臺(tái)的烙鐵溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)夾具組，可以實(shí)現(xiàn)批量校準(zhǔn)，提高效率。

圖4 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

校準(zhǔn)時(shí)將被校準(zhǔn)烙鐵溫度計(jì)固定于XY平面的標(biāo)準(zhǔn)夾具上，通過直線導(dǎo)軌、標(biāo)準(zhǔn)滑塊和微型汽缸控制機(jī)械臂的標(biāo)準(zhǔn)按壓動(dòng)作。微型汽缸采用氣源控制，氣體先后通過過濾減壓閥和精密減壓閥，保證壓力的平穩(wěn)輸出，并接微壓表對(duì)按壓動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)溫度測(cè)量系統(tǒng)

紫銅恒溫體具有很好的導(dǎo)熱性，其準(zhǔn)確度主要由溫度傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度決定。裝置的標(biāo)準(zhǔn)溫度測(cè)量系統(tǒng)采用了自行研發(fā)的AI-5600高精密數(shù)字溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，以Pt100作溫度傳感器，引入多點(diǎn)修正和參數(shù)整定，按PID控制方式對(duì)恒溫腔頭進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，通過溫度比對(duì)保證校準(zhǔn)溫度的準(zhǔn)確可靠，并作為校準(zhǔn)時(shí)的參考溫度。

AI-5600型高精度數(shù)字溫度計(jì)基于24位AD轉(zhuǎn)換器和16位單片機(jī)設(shè)計(jì)，具有高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，最高分辨力為0.001 ℃，最高準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0.02級(jí)或最大誤差在±0.01 ℃范圍內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)可以獨(dú)立配置15個(gè)校正記錄，每個(gè)記錄有30點(diǎn)校正數(shù)據(jù)，通過軟件校正，消除包括傳感器在內(nèi)的儀表整體固有誤差。儀表的多點(diǎn)修正是采用標(biāo)準(zhǔn)值校正法，以二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)或二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，從50～600 ℃每隔50 ℃測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)在每個(gè)溫度點(diǎn)上的修正值，并保存校正結(jié)果，結(jié)果見表2。使用時(shí)，儀表的顯示值會(huì)根據(jù)校正記錄自動(dòng)進(jìn)行修正。

表2 多點(diǎn)修正實(shí)驗(yàn)結(jié)果

AI-5600型高精度數(shù)字溫度計(jì)的整體修正值是采用電量單位線性內(nèi)插計(jì)算的，參見圖5。對(duì)于溫度傳感器，由于存在電量與溫度的非線性關(guān)系，使得溫度單位的修正結(jié)果不會(huì)完全等于電量單位的修正結(jié)果，但這種差別應(yīng)該是在允許范圍內(nèi)。

圖5 AI-5600型高精度數(shù)字溫度計(jì)的多點(diǎn)校正

圖5中的x點(diǎn)修正公式如下：

修正后儀表的顯示值x為x =x*+ c

式中：x*——沒有任何修正時(shí)的純?cè)际局担?/p>

c——根據(jù)儀表內(nèi)校正記錄所計(jì)算的修正值

AI-5600本身具有很高的穩(wěn)定性，只要所匹配的傳感器穩(wěn)定性也很高，則整體誤差就會(huì)很小。因此，選擇采用AI-5600型高精度數(shù)字溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，將Pt100溫度傳感器內(nèi)置于恒溫腔頭，測(cè)得的溫度讀數(shù)作為校準(zhǔn)時(shí)的參考溫度，實(shí)現(xiàn)了烙鐵溫度計(jì)的準(zhǔn)確校準(zhǔn)。

3 結(jié)語

烙鐵溫度計(jì)的校準(zhǔn)采用表面溫度接觸式測(cè)量方法，主要受恒溫源表面性能、環(huán)境狀況以及人工操作的影響。本文通過合理設(shè)計(jì)的高精度表面恒溫源，可以有效地對(duì)烙鐵溫度計(jì)的誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。其中恒溫腔頭采用凸式結(jié)構(gòu)紫銅恒溫塊，恒溫腔外圍以保溫材料包裹，有效減小了表面性能和環(huán)境溫度變化引入的測(cè)量誤差；通過智能機(jī)械臂的標(biāo)準(zhǔn)化按壓操作，有效減少了由于人工手持操作引起的按壓壓力和角度不確定引入的誤差；通過AI-5600高準(zhǔn)確度溫度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)恒溫腔頭進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，為烙鐵溫度計(jì)的校準(zhǔn)提供可靠的標(biāo)準(zhǔn)參考溫度，保證了校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。

[1]王志明.烙鐵溫度計(jì)校準(zhǔn)方法的探討[J].計(jì)量技術(shù)，2012，（1）：56-57.

[2]余時(shí)帆，潘子升.烙鐵溫度計(jì)校準(zhǔn)裝置的研究[J].計(jì)量技術(shù)，2009，（1）：56-58.

[3]姜華，萬輝，殳偉群.高精度溫度測(cè)量?jī)x[J].自動(dòng)化博覽，2005（S2）：88-92.

Calibration device for iron thermometers

Ji Jinlong
（Xiamen Institute of Measurement and Testing）

The paper introduces the working principle, use, calibration status and calibration methods of iron thermometer, and presents the research idea of an intelligent and high-precision calibration device.The paper emphatically discusses the design and development of the intelligent compression system and the standard temperature measurement system.The research results could effectively improve the calibration efficiency and accuracy of iron thermometers.

iron thermometer; calibration device; constant temperature chamber; AI-5600 high-precision digital thermometer