仪器校准

可以用热管恒温槽来校准工业短型温度计吗

作者：calibration    来源：未知    发布时间：2020-03-27 09:16    浏览量：
1背景
热管是1963年美国洛斯阿拉莫斯(LosAlamos)国家实验室的乔治格罗佛(GeorgeGrover)发明的一种传热元件，其依靠自身内部工作液体相变来实现传热，具有等温性、恒温性等优良特性。利用其等温性，热管技术被用于制作恒温源。气控热管恒温槽在标准铂电阻温度计及精密铂电阻温度计测量中应用广泛，如MerloneA等人［1］研制的气控热管稳定性能够达到1mK以内。中国计量科学研究院闫小克等［2］研究的气控钠热管稳定性可达0.6mK。20世纪80年代，辽宁省仪器校准计量院就开发了用于替代油槽的非气控热管恒温槽，并于1995年推向市场，取得良好的应用效果。［3－4］后来热管技术经过几代的改进，温场波动度、均匀性等指标不断提高。［5］国产非气控热管由于造价低廉、温度范围广、升降温快、环保无污染等特点，被广泛应用。［6－7］但是热管恒温槽也存在一定的缺陷，如使用热管恒温槽做为恒温源时，被检温度计必须有足够的浸没深度，检测浸没深度较小的温度计，如浸没深度小于100mm的工业铂电阻温度计、局浸式玻璃液体温度计等，则会产生较大的偏差。
 
2理论分析
被测温度计在热管恒温中的传热模型如图1所示，根据传热学理论分析，被测温度计与热管恒温槽的热交换主要分为三个部分，即温度计顶端向底部的传热;热管恒温槽内壁通过空气层向温度计的对流传热;热管恒温槽内壁向温度计的辐射传热。稳态时，被测温度计通过热管恒温槽的对流传热和辐射传热得到的热量之和正好等于温度计顶端向底部的传热量。在其他条件不变时，被测温度计材料的传热系数越小，浸没深度带来的偏差越小;因此当浸没深度较小时，通常测量石英或玻璃温度计时，浸没深度带来的偏差要小于测量金属外壳的温度计时的偏差。其他条件不变时，热管恒温槽与温度计之间的传热系数越大，浸没深度带来的偏差越小。与恒温油槽中的温度计相比，由于恒温热管槽中热空气与温度计外壁之间的传热系数要远小于流动的导热油和传感器外壁之间的对流换热系数，因此，在同样的温度下，油槽对传感器浸没深度的要求要小得多。简化传热模型后，测量误差用可以表示成式(1)［8］的形式:
 温度计传热示意图
式中:
tH—被测温度计顶端温度，℃;
tf—热管恒温槽温度，℃;
t0—被测温度计与热管恒温槽接触面温度，℃;
h—热管恒温槽与被测温度计外壁之间的综合传热系数，W/(m2.K);
λ—被测温度计材料的导热系数，W/(m.K);δ—被测温度计壁厚，m;
H—浸没深度，m。
从式(1)可以看出，如果想获得更小的测量误差，可以通过四种手段:
(1)减小被测温度计本身材料的导热系数;
(2)减小被测温度计顶部与底部的温度差;
(3)增大热管恒温槽与被测温度计之间的换热系数;
(4)增加浸没深度。当被测温度计确定时，通常无法改变被测温度计本身材料的导热系数，也无法增加浸没深度，则只能通过减小顶部与底部温差和增大热管恒温槽与被测温度计之间换热系数的方法来尽量减小测量误差。
 
3实验研究
3.1实验设备及实验条件
实验采用HKT型热管恒温槽和HTS300型恒温油槽作为恒温源，标准器采用近期检定合格的石英材质一等标准铂电阻温度计，编号为92840，ISOTECH生产的Micro500测温电桥作为标准器和被检工业铂电阻温度计的电测设备。被检温度计选用石英材质的工业铂电阻温度计和工作用玻璃液体温度计两种。石英铂电阻温度计采用的A级工业铂电阻温度计，其感温端为绕丝结构，支撑材料为石英，结构为中空结构，最大浸没深度12mm，温度计编号分别为14070144、14060124、14070145、15040198。玻璃液体温度计采用浸没深度为55mm的闪点温度计，编号分别为38、52和67。
 浸没深度对测得值的影响
3.2实验方法
在恒温油槽中，当被测工业铂电阻温度计浸没深度大于80mm时，测得结果不再随浸没深度变化，因此本次测量中采用浸没深度100mm时在恒温油槽中测得的误差值作为参考值，记为Δt，在热管恒温槽中不同浸没深度中测量的误差记为Δtn，则由浸没深度引入的测量偏差则可表示为:Δt'=Δt－Δtn(2)在热管恒温槽中测量不同浸没深度对测量结果的影响，改善传热条件后，再次测试浸没深度的影响。
 
3.3实验数据及结果分析
3.3.1不同浸没深度测量结果的比较
在不增加任何强化传热装置的条件下，将浸没深度从50mm逐渐增加到100mm，测试结果与参考值比较，得到的测试结果如图2所示。从图2中可以看出，当浸没深度较小时，浸没深度带来的偏差随浸没深度的变化非常明显，当浸没深度仅为50mm时，偏差可以达到0.4℃以上，编号为14070145的温度计偏差甚至可以达到0.6℃以上，随着浸没深度增加，偏差急剧减小，当浸没深度大于80mm时，变化趋势逐渐变得平缓，当浸没深度增加到100mm时，测得的结果与恒温油槽中测得结果基本相近，偏差均小于0.04℃以内。这说明在热管恒温槽内校准短型温度计时，浸没深度是影响测量结果的关键因素之一。当浸没深度较小时，传热引起的偏差不可忽视。
 增加金属环后浸没深度对测得值影响
3.3.2增加金属环后测试结
在恒温槽上水平端插入一个金属环，金属环外径略小于恒温槽插孔，内径为6mm，略大于被测铂电阻温度计外径，金属环与被测温度计之间的接触面积增大，能够有效提高传热效率，同时可以减小被测温度计顶端与接触面之间的温度差，从而减小因传热带来的测量偏差。增加金属环后测试结果如图3所示。从图3中可以看出，增加金属环后，热管槽与被测温度计的传热能够得到明显改善。当浸没深度为50mm时，4支被测温度计的由浸没深度引入的偏差均减小到0.3℃以下，当浸没深度增加到60mm时，偏差减小到0.15℃以下，继续增加浸没深度至80mm，偏差减小到约0.05℃以下。由此可见金属环对传热改善作用非常明显，通过增加金属环辅助增强传热的方式可以有效减小浸没深度引起的误差。
 使用金属环前后测试结果比较
3.3.3增加金属环前后测试结果比较
以编号为14070144号工业铂电阻温度计为例，比较增加金属环前后的测试数据，如图4所示。从图4中可以看出，增加金属环后，浸没深度带来的偏差明显减小，当浸没深度为50mm时，增加金属环可以将浸没深度带来的偏差减小40%以上，随着浸没深度的增加，偏差减小的程度变小。当浸没深度大于90mm时，二者偏差基本接近。从图中可以看出，当温度计浸没深度较小时，金属环辅助传热对测量结果的影响明显。
 
3.3.4局浸式玻璃液体温度计校准比较
比较增加金属环前后，浸没深度为55mm的局浸式玻璃液体温度计在油槽和热管恒温槽中的测试结果(见表1)。从表1中可以看出，若以恒温油槽中测得的值作为参考值，则增加金属环后，浸没深度带来的偏差可以减小到0.5℃以下，与无金属环相比，偏差降低了约60%，明显提升了仪器校准的准确度，证明这种强化传热的方式是切实可行的。
 使用金属环前后校准结果的比较
4结论
从上述的理论分析和实验研究可以得到如下结论:
(1)采用热管恒温槽校准浸没深度较小的温度计时，由传热引起的误差不可忽略。
(2)浸没深度越小，传热引起的误差越明显，对浸没深度的变化也越敏感。
(3)通过增加金属环等改善传热结构的方法，可以有效减小较短传感器的浸没深度的要求。
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