提高接觸式表面溫度計校準可靠性的方法

周登錦 陳子騫 徐 標 梁顯有/廣東省計量科學研究院

0 引言

接觸式表面溫度計（以下簡稱為表面溫度計）大量應用在能源、化工、紡織、機械、電力、航空航天等需要精確測量表面溫度的科研和生產中。隨著表面溫度計的廣泛應用，如何對其進行準確的校準成為一個突出的問題。目前，一些校準實驗室和廠家使用液體槽對表面溫度計進行校準，不能反映溫度傳感器表面與被測物體表面接觸熱阻所帶來的測量誤差，而且極易污染被校溫度計的探頭，校后清洗不凈會給用戶帶來隱患。另外，表面溫度計使用和維護不當，傳感器部分容易發(fā)生形變。在傳感器發(fā)生形變的情況下，如用液體槽對表面溫度計進行校準，發(fā)現不了它的影響；如用表面溫源進行校準，則傳感器表面不能與被測表面很好接觸，接觸熱阻大大增加，帶來很大的測量誤差。本文就表面溫度計校準中存在的問題，提高表面溫度計校準可靠性的方法進行一些探討。

1 表面溫度計校準裝置

1.1 校準裝置通用要求

要提高表面溫度計校準可靠性，必須要有合適的表面溫度計校準裝置，并能滿足表面溫度計的校準要求。通常表面溫度計校準裝置應滿足以下要求：①工作表面應平整，保證與表面溫度計能很好接觸；②工作表面應有一定面積（不小于20×50mm2）的等溫區(qū)；③工作表面溫度可控且穩(wěn)定，有溫度干擾后能較快恢復受控狀態(tài)；④工作表面溫度能夠精確測得。目前國內常用的表面溫度校準裝置有直接加熱式、平面熱管式和固定點式三種。本文以哈特(福祿克)公司的3125型直接加熱式表面溫源及其配用的2200型溫度控制器為例介紹表面溫度計校準裝置。該表面溫源的工作表面是經過研磨的鋁質，平整光滑；有大約79 cm2的圓測試表面；配有溫控器，工作表面溫度可控且穩(wěn)定，有溫度干擾后能較快恢復受控狀態(tài)；工作表面溫度可通過專用測試孔準確測得。

目前，國家尚無表面溫度計校準裝置的校準規(guī)范。依據JJG 364—1994表面溫度計檢定規(guī)程，表面溫度計校準裝置主要技術指標是測溫的準確性、溫場穩(wěn)定性和表面溫場的均勻性。

1.2 測溫準確性

3125型表面溫源配有內置控溫用的精密鉑電阻溫度計，對準確度要求不高時可以直接將溫控儀顯示溫度作為標準值使用。此時內置的鉑電阻溫度計既是控溫元件，又是標準器。

對溫度準確度要求較高時，需要外置標準器用比較法進行校準。外置標準器最好選用標準表面溫度計，但目前國內沒有理想的標準表面溫度計。由于該裝置配備了直徑約5mm的專用測試孔，可以將尺寸匹配的標準器插入等溫塊的中心，作為表面溫源的標準值，如圖1所示。選用一支直徑約為5mm、長度大于100mm的分度好的A級以上的鉑電阻溫度計作為標準溫度計，插入表面溫源專用測試孔來測量表面溫源的溫度，從而實現表面溫度計校準的量值溯源。所用的A級以上鉑電阻溫度計是經過穩(wěn)定性考核并在穩(wěn)定期內作過最新的檢定分度，方能作為計量標準器。而且必須注意該標準溫度計插入測試孔時應有良好的熱接觸，且不留空氣層，可涂上適當的導熱硅脂。

當內置溫度傳感器不準時，還可以利用上述標準溫度計對該溫度控制器進行修正校準。通過三個溫度點如50℃、200℃、400℃的測試，讀出相應溫度的電阻值和標準溫度值，可以按照使用說明書的公式重新計算R0、ALPHA（α）、DELTA（δ）系數，輸入溫度控制器保存后就可以提高控制溫度的準確性。A級鉑電阻溫度計允差值為±（0.15+0.002t）℃，而JJG 364—1994對數字式表面溫度計的允許誤差為±2.5%FS，（其中FS為溫度計測量范圍的滿量程值），故該標準器完全滿足校準要求。

圖1 表面溫源校準示意圖

1.3 控溫穩(wěn)定性

控溫穩(wěn)定性實驗可以通過測量安裝在表面溫源專用測試孔的標準溫度計來進行。將溫度升高至設定溫度點，待溫度穩(wěn)定后，每間隔10 s讀取一次參考標準溫度計的讀數，連續(xù)測量15min，取最大與最小值之差作為控溫穩(wěn)定性的值。按照JJG 364—1994的要求，穩(wěn)定性指標為1℃/15min。經過數年的考核，該2200型溫度控制器穩(wěn)定性為0.2℃/15min，遠遠優(yōu)于規(guī)程規(guī)定的穩(wěn)定性指標。通過被校表面溫度計在表面溫源上進行溫度干擾試驗，該裝置也能較快恢復受控的穩(wěn)定狀態(tài)。

1.4 溫場均勻性

該表面溫源的有效直徑是96mm，內置控溫鉑電阻和標準溫度計布置在表面溫源的中心，在進行表面溫度計校準時，通常也使用表面溫源的中心位置。溫場均勻性測試可以使用穩(wěn)定性和準確性較好的表面溫度計進行。本實驗使用一塊日本安立計器公司的表面溫度計，溫度計型號HA-250K，探頭型號WE-22K型。測點布置如圖2，1為中心點位置，2、3、4、5為距中心點30mm的位置。測量溫度點可以選定在偏離環(huán)境溫度最大的溫度點（即上限溫度400℃）上進行。待溫度穩(wěn)定后，用溫度計依次對5個位置進行測量，每個位置測量10次，取平均值作為該位置的溫度。表1為某次溫差均勻性實驗結果，表中各點溫度為該位置溫度與中心點1的溫差。溫差中最大與最小值之差作為溫場均勻性。

圖2 溫場均勻性測點布置

表1 溫場均勻性測量結果 單位（℃）

該裝置在400℃時的溫場均勻性為0.48℃，滿足JJG 364—1994均勻性小于2℃的要求。

綜上所述，3125型表面溫源的主要性能指標遠高于JJG 364—1994的要求，證明該裝置滿足表面溫度計的校準要求，可以作為表面溫度計校準裝置使用。其他表面溫度計校準裝置可以參考此方法進行判斷是否符合。

2 表面溫度計及其校準

2.1 表面溫度計

表面溫度計是測量物體表面溫度的溫度計。一般由兩部分組成，一部分是感溫元件，另一部分是溫度的顯示部分。表面溫度計的種類很多，按其與被測對象的關系分，有接觸式和非接觸式；按測溫原理分，有熱電偶式、熱電阻式、熱敏電阻式、輻射式和光纖式等。目前應用最廣泛的是接觸式的熱電偶表面溫度計。本文提及的表面溫度計為接觸式表面溫度計。

2.2 表面溫度計的校準

最主要的項目是示值誤差校準，就是用被校表面溫度計對表面溫度計校準裝置工作表面的溫度進行測量，用表面溫度計的示值與表面溫度計校準裝置的標準值進行比較，從而得出表面溫度計的示值誤差。

表面溫度計的測量誤差一方面來自溫度計自身的設計、尺寸、形狀、材料及制造工藝，另一方面來自被測對象的尺寸、形狀、材料熱物性、表面狀態(tài)等，同時還與周圍環(huán)境、探頭與被測表面間的接觸熱阻等有關。由于實驗室校準表面溫度計使用的表面溫源的材質與實際使用時可能不同，而且表面狀況、環(huán)境條件有所差異，在實際使用時會帶來不確定的誤差。目前已經有學者進行了一些模擬現場工況對表面溫度計進行校準的研究，但目前僅停留在實驗室階段，距離實用還有很大距離。實際上影響表面溫度計測量準確度很大程度上取決于校準方法，必須保證被校溫度計接觸標準裝置后不破壞標準裝置的溫度場，并與接觸表面接觸良好可靠。

2.3 校準表面溫度計時應注意的事項

（1）室內不應有明顯的空氣對流，如果開空調等，也要盡可能在工作區(qū)域加擋板隔離，避免空氣對流對表面溫源的影響。

（2）盡可能先將溫度計探頭置于表面溫源邊緣預熱，待溫度基本穩(wěn)定后再將探頭移到表面溫源中心進行測量。這樣可以減少對表面溫源使用區(qū)域溫場的破壞，提高校準數值的可靠性。

（3）不同的表面溫度計，校準時需要的等溫時間也不一樣。校準時應有足夠的等溫時間，使溫度計探頭與表面溫源達到熱平衡狀態(tài)。

（4）應注意探頭測點與被測表面或表面溫源的正確接觸。如圖3，左圖為正確接觸，偶絲焊接點應在正下方，接觸部分平整且有足夠長的接觸長度；右圖為不正確接觸，一邊彎得多，另一邊變形小，偶絲焊接點不在校準點中心，產生附加測量誤差。尤其使用過的表面溫度計，探頭容易發(fā)生變形，影響測量準確性。可以通過調節(jié)溫度計的手柄，使探頭測點與測溫表面正確接觸，提高校準可靠性。

圖3 探頭使用狀態(tài)示意圖

（5）帶支承定位螺釘的表面熱電偶溫度計，在校準時將其用力壓在表面溫源上，直至支住為止。該溫度計校準時，要調整好定位螺釘的高度，使探頭測點與測溫表面正確接觸；定位螺釘的調整的高度過高或過低都會影響正確接觸，產生測溫誤差。

3 結語

本文僅介紹了表面溫度計本身的校準，沒有考慮不同的表面材料如金屬、非金屬、表面的粗糙度、污染等引起不同測量結果以及環(huán)境狀況等的綜合影響，這也是進一步研究的方向。

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