0 引言
      隨著溫度計量逐步滲透到各行業(yè)的各個領(lǐng)域，與之相對的溫度傳感器種類與日俱增。大部分溫度傳感器由于應(yīng)用環(huán)境的特殊性導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)設(shè)計的愈發(fā)復(fù)雜。常見的溫度傳感器校準(zhǔn)裝置管式爐與干井爐，由于自身設(shè)計特性，可校準(zhǔn)的儀器結(jié)構(gòu)單一，這就導(dǎo)致部分傳感器無法插入到校準(zhǔn)腔體內(nèi)部進(jìn)行精確的校準(zhǔn)。相對而言，恒溫槽類校準(zhǔn)裝置鹽浴恒溫槽的發(fā)展?jié)u趨完善，因其恒溫區(qū)的區(qū)域比管式爐與干井爐更為充裕，提供的溫場均勻性更高，且其溫度上限可達(dá)900℃，可對現(xiàn)存的大部分傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。本文分別利用管式爐、干井爐以及鹽浴恒溫槽對大尺寸熱電偶、熱電阻和粗短型傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，并對不同裝置的儀器校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行比較。
 
1 溫度傳感器傳熱分析
      在鉑電阻溫度計的檢定規(guī)程中，工作區(qū)域插入深度定義為能保證恒溫槽穩(wěn)定性和均勻性的區(qū)域。由于標(biāo)準(zhǔn)器在測試過程中存在漏熱問題，這個區(qū)域概念在實際工作中較難把握。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的測溫鉑絲感溫有效區(qū)域一般為6cm，但實際上部分熱量流經(jīng)鉑絲引線，從感溫元件區(qū)域向室溫區(qū)產(chǎn)生的漏熱現(xiàn)象始終存在，加大了異型傳感器的校準(zhǔn)難度。在參考文獻(xiàn)中所運用的溫度計溫場測試原理與本文中的溫度傳感器校準(zhǔn)原理相似。根據(jù)傳熱理論分析結(jié)合溫度計的實際儀器校準(zhǔn)過程，溫度傳感器的結(jié)構(gòu)以及材料特性已經(jīng)確定，為保證儀器校準(zhǔn)精度，可實現(xiàn)的就是保證溫度計插入足夠的深度，使得傳感器感溫元件充分浸沒，避免因漏熱產(chǎn)生的測量誤差，進(jìn)而達(dá)到精確測量的目標(biāo)。下文將對不同溫度傳感器進(jìn)行儀器校準(zhǔn)實驗，并對結(jié)果進(jìn)行分析對比。
 
2 大尺寸熱電偶、熱電阻的校準(zhǔn)實驗
      大尺寸溫度傳感器多應(yīng)用于火電廠的超臨界鍋爐及管道區(qū)域的溫度監(jiān)測。由于主蒸汽溫度可達(dá)800℃、壓力達(dá)到40MPa，這一狀態(tài)的運行系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，將出現(xiàn)難以預(yù)料的嚴(yán)重后果。2011年日本福島核泄漏事件的一個重要原因就是反應(yīng)堆內(nèi)部溫度瞬間飆升，而溫度傳感器未能及時切換傳出異常值，系統(tǒng)仍正常工作，最終導(dǎo)致了后續(xù)一系列事故。作為電廠安全運行的第一道防線，此類傳感器的儀器校準(zhǔn)工作將為電廠系統(tǒng)的安全運行提供重要保障。在實際的儀器校準(zhǔn)工作中，由于傳感器的結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致校準(zhǔn)的難度以及校準(zhǔn)的不確定度不斷提升。本節(jié)針對這一現(xiàn)狀，將對此類溫度傳感器的校準(zhǔn)方法與結(jié)果進(jìn)行比較，為更精確的儀器校準(zhǔn)提供參考。

 

2.1 校準(zhǔn)實驗
      考慮到熱電偶的結(jié)構(gòu)受到管式爐和干井爐校準(zhǔn)腔的空間限制，無法直接插入到管式爐和干井爐校準(zhǔn)腔內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，需將原為盤狀的熱電偶進(jìn)行拉直處理。在熱電偶的校準(zhǔn)過程中，通?？赏ㄟ^捆扎方式將若干熱電偶一起檢定。而本次采用的大尺寸熱電偶頂端帶有體積較大的表盤，金屬桿徑較粗，且材質(zhì)硬度較高，無法將熱電偶捆扎在一起進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，本文通過管式爐進(jìn)行熱電偶的校準(zhǔn)過程中只能單個進(jìn)行。檢定爐只有60mm相對偏小的均勻溫區(qū)，且檢定爐的均勻度要求僅為優(yōu)于0.6℃/6min，這就可能導(dǎo)致被檢儀器產(chǎn)生數(shù)十倍的誤差。由于干體爐校準(zhǔn)孔的孔徑是針對特定的傳感器設(shè)計的，只能對外徑小于孔徑的傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，而對于桿徑更大的傳感器，則無法插入到空位進(jìn)行校準(zhǔn)，若進(jìn)行爐芯均熱塊的更換，這一操作流程相當(dāng)復(fù)雜。對于桿徑小于孔徑的傳感器校準(zhǔn)的過程中，由于縫隙的存在，可能會出現(xiàn)熱均勻性不足而產(chǎn)生一定的校準(zhǔn)誤差。鹽浴恒溫槽作為新型溫度源裝置，相比較于檢定爐的60～100mm任意兩點溫差小于1℃均勻溫場，鹽槽可提供110mm-450mm、均勻性為20mK的等溫溫區(qū)，可實現(xiàn)熱電偶的整體檢定，同時可對多支鎧裝熱電偶進(jìn)行校檢。與此同時，在擁有充裕的等溫溫區(qū)的鹽槽內(nèi)，即便體積偏大的被檢儀器置于鹽槽內(nèi)，溫場產(chǎn)生的較小波動也可在短期內(nèi)迅速恢復(fù)。選用三支如圖2所示規(guī)格相似的熱電偶，分別在管式爐、干井爐和鹽浴恒溫槽中進(jìn)行校準(zhǔn)。選用的管式爐型號為PＲ321A，干體爐型號為CTC600，鹽浴恒溫槽型號為CF20。校準(zhǔn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)器的差值如表1所示。

 

2.2 數(shù)據(jù)分析
      表1所示的測試結(jié)果，由于選用熱電偶的桿徑為6mm，傳感器置于管式爐爐腔內(nèi)對原本狹小的溫場造成了一定的破壞，導(dǎo)致測得的溫度值與標(biāo)準(zhǔn)器的偏差值較大，最大差值達(dá)6.5℃，并且這些偏差值隨著溫度的上升呈持續(xù)上升趨勢，溫度越高，偏差值越大。這一現(xiàn)象與管式爐的漏熱有關(guān)，管式爐溫度越高，與外界的溫差越大，漏熱現(xiàn)象越明顯。同樣的現(xiàn)象在干體爐與鹽浴恒溫槽也存在。與管式爐的儀器校準(zhǔn)結(jié)果相比，干體爐的結(jié)果要好于管式爐，最大的溫度偏差為3.25℃，且各個溫度點的偏差值均小于管式爐的偏差值。其主要原因在于干體爐的校準(zhǔn)孔腔與被檢器的桿徑一樣，被檢器置于干體爐內(nèi)，中間的縫隙極小，幾乎不存在第三傳熱介質(zhì)空氣的干擾，因此，測得的結(jié)果優(yōu)于第三傳熱介質(zhì)空氣干擾較大的管式爐。鹽浴恒溫槽的測試結(jié)果比管式爐與干體爐有了數(shù)量級的提升，最大溫度偏差為0.48℃，最小值可達(dá)0.08℃。這一測試結(jié)果將液體槽的測量優(yōu)勢充分凸顯出來，其在900℃的測量偏差可有效地控制在0.5℃以內(nèi)，遠(yuǎn)優(yōu)于管式爐的6.5℃和干體爐的3.25℃。在800℃和700℃的測量偏差可控制在0.2℃以內(nèi)。

 

3 粗短型傳感器的校準(zhǔn)
      粗短型溫度傳感器如圖2所示，汽車油箱、發(fā)動機(jī)等區(qū)域的溫度傳感器特別短。這一類傳感器在汽車的油耗、發(fā)動機(jī)的壽命以及節(jié)能減排等方面起著舉足輕重的作用，要求傳感器非常精確，對這一類溫度傳感器的校準(zhǔn)工作就顯得尤為重要。對于粗短型溫度傳感器的校準(zhǔn)，由于總長度僅為50～60mm，而管式爐的恒溫區(qū)位于爐管中心位置，距管口有很長的距離。直接將此類溫度傳感器放入高溫爐腔內(nèi)部，極易導(dǎo)致溫度傳感器受到破壞。同樣干體爐的校準(zhǔn)需將傳感器放入到孔腔內(nèi)部進(jìn)行，然而由于如圖2所示的溫度傳感器的桿徑達(dá)12mm，無法插入到校準(zhǔn)孔腔內(nèi)，也無法進(jìn)行儀器校準(zhǔn)工作。鹽浴恒溫槽可提供110mm-450mm、均勻性為20mK等溫溫區(qū)，無需考慮孔徑和恒溫區(qū)位置等方面因素的限制，直接將被檢儀器插入到槽腔一段距離，上端用保溫棉做保溫處理即可直接進(jìn)行校準(zhǔn)流程。實驗結(jié)果如表2所示。由于選用的其他校準(zhǔn)裝置如干體爐與管式爐無法進(jìn)行粗短型溫度傳感器的校準(zhǔn)，采用鹽浴恒溫槽測得的溫度值與標(biāo)準(zhǔn)器的偏差值隨著溫度的上升呈持續(xù)上升趨勢，溫度越高，偏差值越大，最大值為0.92℃，這一結(jié)果滿足此類溫度傳感器的檢定規(guī)程要求。與表1中的測試結(jié)果相比，粗短型溫度計的校準(zhǔn)結(jié)果較差，主要原因是溫度計桿徑過短，而淺溫區(qū)的溫場均勻性較差，且淺溫區(qū)的測試方法有待改善。

 

4 結(jié)論
      本文通過對溫度傳感器的校準(zhǔn)傳熱原理進(jìn)行分析，并比較干體爐、管式爐和鹽浴槽幾種恒溫設(shè)備進(jìn)行異型溫度傳感器的校準(zhǔn)，結(jié)果表明:鹽浴恒溫槽在進(jìn)行大尺寸傳感器的校準(zhǔn)中，在900℃的測量偏差可有效地控制在0.5℃以內(nèi)，遠(yuǎn)優(yōu)于管式爐的6.5℃和干體爐的3.25℃，在700℃至800℃的測量偏差可控制在0.2℃以內(nèi);在進(jìn)行粗短型傳感器的校準(zhǔn)中，隨著溫度的上升呈持續(xù)上升趨勢，溫度越高，偏差值越大，最大值為0.92℃，這一結(jié)果仍在檢定規(guī)程1級要求的允差范圍之內(nèi)。鹽浴恒溫槽的結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于管式爐、干體爐裝置，完全滿足異型傳感器的校準(zhǔn)應(yīng)用，并且一次可進(jìn)行多支傳感器的校準(zhǔn)，這將極大地提升檢定員的工作效率。

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