余松林 沈文杰 孫浩 王喆 蔣靜 田昀
摘要:恒溫槽可以為計量器具的檢定或校準提供溫度基準環(huán)境,但傳統(tǒng)恒溫槽的不便攜帶和低集成化已不能滿足一些計量器具的現(xiàn)場自動檢定或校準。針對這一問題,設計了一種集成了多功能電測儀器和溫度控制模塊、可實現(xiàn)現(xiàn)場自動檢定或校準的高精度便攜式恒溫槽。首次在便攜恒溫槽中采用側面攪拌技術設計,保證了溫場的高質量,并使恒溫工作區(qū)域的有效工作深度提高至200 mm,克服了被檢計量器具因插入深度不足對計量結果造成的影響。采用局部控溫散熱設計,減少了高溫環(huán)境時對儀器儀表的影響,提高了檢定或校準的精度。實驗結果表明,恒溫槽工作溫場范圍為50℃~300℃,水平最大溫差優(yōu)于0.005℃,均勻性優(yōu)于0.01℃,波動性優(yōu)于0.03℃/10 min.。利用該集成化恒溫槽實現(xiàn)了一體化溫度變送器的現(xiàn)場自動校準,其擴展不確定度優(yōu)于0.08℃(k=2)。此外,該集成化恒溫槽在中溫熱電偶和熱電阻的現(xiàn)場自動校準和檢定中也極具應用前景。
關鍵詞:溫度計量;恒溫槽;集成化;側攪拌;均勻性;波動性
中圖分類號:TH811TB942文獻標志碼:A
恒溫槽可以提供穩(wěn)定可靠的溫度基準環(huán)境,以滿足各種溫度計量器具檢定或校準的需要[1, 2]。實驗室所使用的恒溫槽主要有超低溫液氮槽、低溫酒精槽、水浴恒溫槽、硅油恒溫槽、硝鹽恒溫槽和碳硅管槽等。隨著集成電路和儀器儀表自動控制技術的發(fā)展,越來越多的計量儀器實現(xiàn)的自動檢定或校準,結束了人工計算大量數(shù)據(jù)的歷史。同時,為了減少運輸對于計量器具的性能造成的影響,在某些特定的應用場合,需要計量器具的現(xiàn)場檢定或校準。在這種情況下,便攜式恒溫槽獲得廣泛推廣應用[3]。
目前現(xiàn)場檢定或校準使用的恒溫設備主要有便攜式恒溫槽和干體式恒溫校準器。現(xiàn)有便攜式恒溫槽多采用磁耦合攪拌的方式,攪拌扇葉位于恒溫工作腔的底部,限制了計量器具的插入深度,最終影響到儀器的計量精度。干體式恒溫校準器以空氣為介質,受空氣介質熱力學性質和環(huán)境溫度影響,其軸向和徑向熱傳導等都降低了溫場的質量,在一些高精度計量器具的檢定或校準應用中受到限制。因此,研制一種新型的高精度、高度集成化的便攜式恒溫槽是實現(xiàn)一些計量器具現(xiàn)場自動檢定或校準的趨勢要求。
研制出一種基于側面攪拌技術設計和局部控溫散熱技術的高精度、集成化便攜式恒溫槽。首次將側面攪拌技術應用于便攜式恒溫槽,即保證了溫場具有良好的均勻性和波動性,同時將工作腔的有效工作深度延深至200 mm,避免了被檢計量器具傳感器因插入深度不足對測量結果帶來的影響[4]。同時,集成了多功能電測儀表和被檢計量器具的供電模塊,可以實現(xiàn)其現(xiàn)場的自動檢定或校準。依據(jù)《恒溫槽技術性能測試規(guī)范》測量了所設計的恒溫槽的溫馨均勻性和波動性,均達到較高水平。研究還以一體化溫度變送器為例,進行了校準實驗,其擴展不確定度不亞于實驗室的大型校準系統(tǒng)[5]。該高精度集成化便攜式恒溫槽在工業(yè)熱電阻和中溫熱電偶的現(xiàn)場自動檢定或校準中也極具前景。
1 集成化便攜恒溫槽結構設計
集成化的恒溫槽結構示意圖如圖1所示。該恒溫槽集成了多功能電測儀表、被檢計量器具的供電模塊和恒溫工作區(qū)域的溫控模塊。首次在便攜式恒溫槽中采用側面攪拌技術,保證溫場高質量的同時,延深了工作腔體的有效工作深度。采用區(qū)域控溫和散熱技術,隔熱層有效阻隔了恒溫工作區(qū)域向電測儀表區(qū)的熱傳遞,使電測儀表區(qū)的環(huán)境溫度維持在合理水平,保證了其測量精度。
如圖1所示,恒溫工作區(qū)域的溫場由溫控模塊分析處理控溫鉑電阻所采集的數(shù)據(jù)來完成控制。設定所需溫度點后,溫控模塊通過加熱電阻絲來升高工作區(qū)域的溫度。同時,攪拌電機開始工作,以保證工作區(qū)域溫場的均勻性和波動性符合要求。由標準鉑電阻溫度計和溫控模塊實現(xiàn)溫場條件的自動判定,標準鉑電阻將測量數(shù)據(jù)送往溫度模塊進行分析,當其符合檢定或校準條件后,多功能電測儀表將實時處理和顯示標準鉑電阻溫度計和被檢計量器具的測量數(shù)據(jù),并通過I/O數(shù)據(jù)接口送往計算機中的預設程序進行分析處理,給出最終檢定或校準結果。設計的恒溫槽采用硅油作為工作介質,可以提供50~300℃范圍內的基準溫度(最佳工作溫度范圍為80~250℃時,溫場條件較佳),可實現(xiàn)一些計量器具的現(xiàn)場自動高精度檢定或校準,能夠滿足量值傳遞過程對標準裝置較高的性能要求。
集成化便攜式恒溫槽具體參數(shù)如下:
外形尺寸:43cm×25cm×50cm;直徑為55mm、工作深度為200mmm;恒溫工作腔體尺寸:;恒溫工作區(qū)域容積:約1.2 L;自重15 kg;總功率:1 kW;溫度設定分辨率:0.001℃;升溫速率:10℃ /min.;降溫速率:平均約2℃/min.。
1.1 側面攪拌技術設計
如圖2所示,恒溫工作區(qū)域主要包括控溫鉑電阻、側面攪拌結構(由加熱電阻、攪拌電機和攪拌扇葉構成)和恒溫工作腔體(包括腔體外壁、孔狀內壁頂部孔狀封蓋)。攪拌扇葉在電機帶動下,促使加熱電阻絲附近的工作介質和恒溫工作腔體中的工作介質通過孔狀內壁和底部連通口流動交換,從而使溫場達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。
本研究在便攜式恒溫槽中采用了側面攪拌技術設計,與現(xiàn)有的便攜式恒溫槽所采用的磁力攪拌技術相比,扇葉攪拌增強了攪拌力度,使工作介質流動和交換更為充分,有助于提高恒溫工作區(qū)域溫場波動性性能指標。更為重要的是,攪拌結構安裝于恒溫工作腔體的側面,使工作腔體有效工作深度延深至200 mm,克服了被檢計量器具因插入深度不足對計量結果造成的影響。
1.2 局部控溫和散熱設計
如圖1所示,由于恒溫槽將電測儀表等儀器設備與恒溫工作區(qū)域集成于一體,而電測儀表受溫度影響環(huán)境較大,特別是工作腔體溫度較高時(最高工作溫度為300℃)。為克服這一難題,在恒溫工作區(qū)域外部設計了包裹保溫外壁,以實現(xiàn)局部控溫。保溫外壁由多層介質構成,自內至外以次是泡沫保溫層、真空層、納米陶瓷保溫層和外泡沫保溫層。保溫層設計不僅有效阻隔了恒溫工作區(qū)域向電測儀表區(qū)域的熱傳遞,而且還可以減少恒溫工作區(qū)域與外部環(huán)境的熱傳遞,有助于將溫場保持在一個較為穩(wěn)定的狀態(tài),有助于提高其波動性技術性能。此外,恒溫工作區(qū)域底安裝了風冷散熱系統(tǒng),可快實現(xiàn)多余熱量的有效排放。實驗結果表明,當恒溫工作區(qū)域設定溫度為300℃,連續(xù)工作30 min時,電測儀表區(qū)的溫度不高于50℃。
2 恒溫槽技術性能測試
依據(jù)JJF 10302010 《恒溫槽技術性能測試規(guī)范》對設計的集成化恒溫槽的溫場技術性能進行測試。測試項目主要包括波動性和均勻性,其中均勻性還包括上水平面溫差、下水平面溫差和工作區(qū)域最大溫差。測試溫度點包括100℃、150℃、200℃、250℃和300℃。
2.1 溫度波動性測試
將電測儀表開機預熱30 min,使恒溫槽處于正常工作狀態(tài),且工作介質液面處于規(guī)定位置。待恒溫工作區(qū)域達到設定溫度10 min后,且標準器讀取的實際溫度會值與設定測試點溫度偏離不超過±0.02℃時,開始讀數(shù)。讀數(shù)頻率為6/min,持續(xù)10 min。讀取數(shù)值的最大值與最小值的溫度差值即為設定測試點的溫度波動性,測量結果如下表1所示。在測試溫度點100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃,每10 min.的波動性依次為0.02℃、0.02℃、0.02℃、0.03℃和0.03℃。
因此,該恒溫槽的溫度波動性優(yōu)于0.03℃/10min。此外,依據(jù)JJF 1030—2010測試規(guī)范的不確定度評定方法,本次恒溫槽5個溫度點的波動性測量結果的最大擴展不確定度為0.006℃(k=2)。
2.2 溫度均勻性測試
溫度均勻性測試包括上水平面最大溫差、下水平面最大溫差和工作區(qū)域最大溫差。依據(jù)JJF 1030—2010測試規(guī)范選擇測量位置,并固定好兩支測量溫度計的位置。待恒溫工作區(qū)域達到設定溫度10 min后,且標準器讀取的實際溫度會值與設定測試點溫度偏離不超過±0.02 ℃時,按照測試規(guī)范的要求開始交替讀數(shù),取相同位置4次讀數(shù)的平均值作為計算數(shù)值。5個測試溫度點的均勻性測試結果如表2所示。5個溫度點的上水平面的最大溫差、下水平的最大溫差和工作區(qū)域的最大溫差(垂直溫差)分別為0.005℃、0.005℃和0.01℃。因此,恒溫槽的溫度均勻性優(yōu)于0.01℃。此外,依據(jù)JJF 1030—2010測試規(guī)范的不確定度評定方法,本次恒溫槽5個溫度點的均勻性測量結果的最大擴展不確定度為0.005 ℃(k=2)。
3 集成化恒溫槽應用示例
利用設計的高精度集成化便攜恒溫槽對一體化溫度變送器進行了校準實驗,并與傳統(tǒng)實驗室用大型校準系統(tǒng)的實驗結果進行了分析對比[6]。
該一體化溫度變送器為02級與Pt100熱電阻配用,測量范圍為0~300℃(本實驗中實測溫度范圍為100~300℃),輸出電流為4~20 mA。
3.1 一體化溫度變送器的現(xiàn)場自動校準實驗
連接被檢供電模塊與一體化溫度計,并將標準鉑電阻溫度計和被校一體化溫度計與多功能電測儀表相連。設定所需溫度,由控溫鉑電阻和控溫模塊對恒溫槽溫度進行調節(jié),同時利用標準鉑電阻反饋的測量數(shù)據(jù)判定溫場條件符合校準規(guī)范的要求(實測與設定溫差,且10分鐘內溫度變化)后,通過I/O數(shù)據(jù)接口,將數(shù)據(jù)寫入計算機預定程序進行分析處理,并給出校準結果。
實驗還利用傳統(tǒng)的實驗室用大型一體化溫度變送器校準裝置(由實驗室用大型恒溫槽、體積較大的24 V供電電源、大型測阻儀表和標準鉑電阻構成,該校準系統(tǒng)接線復雜,且不便移動,只能用于溫度計的室內檢測。)對相同的被校一體化溫度變送器進行了測量。兩套校準系統(tǒng)的溯源絕對誤差曲線與校準溫度點的關系如圖3所示。結果表明,設計的集成化便攜恒溫槽校準系統(tǒng)的傳統(tǒng)的實驗室大型校準系統(tǒng)的測量結果基本一致,其性能指標可以滿足量值傳遞的精度要求。兩套系統(tǒng)均在200℃校準點溯源誤差較小,在最高溫度校準點300℃溯源誤差最大。這應該與系統(tǒng)的可靠性,特別是工作介質硅油的溫度特性有關。
3.2 測量結果不確定度分析
測量結果不確定度主要包括被校一體化溫度變送器計數(shù)重復性引入的u(T),在200℃溫度校準點,其值為4.3 mK;此外,還包括標準鉑電阻、電阻測量、電流測量和恒溫溫場引入的不確定度,其值依次為u(b)=42mK、u(Ω)=289mK、u(I)=54mK和u(t)=124mK。計算可得一體化溫度變送器在200℃校準點的測量結果擴展不確定度U=0.07(k=2)。同樣,可以計算出在100、150、250和300校準點的擴展不確定依次為0.07、0.07、0.07、0.08和0.08(k=2)。因此,該裝置測量結果的擴展不確定度U=0.08(k=2)。
4 結論
設計了一種新型的高精度集成化便攜式恒溫槽,采用側攪拌技術設計方案,保證了恒溫槽溫度均勻性和波動性,且將工作腔的有效工作深度增加至200 mm。區(qū)域控溫設計減少了高溫環(huán)境對集成儀器儀表的影響,從而減少了計量器具檢定或校準時的干擾。實驗測量研究了恒溫槽溫場條件,包括波動性和均勻性。實驗結果表明,恒溫槽溫場的上水平最大溫差優(yōu)于0005℃、下水平面最大溫差優(yōu)于0.005℃、均勻性優(yōu)于0.01℃,波動性優(yōu)于0.03℃/10min。最后,利用設計的高精度集成化恒溫槽對一體化溫度變送器進行了校準試驗,并將實驗結果與傳統(tǒng)的校準設備進行了對比分析。結果表明,設計的新型便攜式恒溫槽校準系統(tǒng)的擴展不確定度優(yōu)于0.08℃(k=2),可以滿足一體化溫度變器的現(xiàn)場自動校準需要。更換相關電測設備后,該集成化便攜式恒溫槽還可以應用于如工業(yè)熱電阻和中溫熱電偶等計量器具的現(xiàn)場自動檢定或校準。
參考文獻:
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[3]王濤,李艾華,王旭平,等.一種小型化便攜式恒溫槽的設計[J].計量與測試技術,2012,39(8):34.
[4]沈文杰,蔣靜,田昀,孫浩,余松林.溫場均勻的便攜式恒溫槽[P].中國專利CN204485896U, 2015.
[5]蔣靜,田昀,沈文杰,孫浩,余松林.一體化溫度變送器現(xiàn)場自動校準裝置[P].中國專利 CN204485896U,2015.
[6]李穎.一體化溫度變送器校準方法及不確定度分析[C].中國北京:第五屆全國溫度測量與控制技術學術會議,2007.
資助基金項目:天津市市場和質量監(jiān)督管理委員會科技計劃項目(2016W08)
作者簡介:余松林(1982),男,天津人,博士,工程師,主要從事熱工計量方面的研究。