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      環(huán)境試驗設(shè)備參數(shù)測量
      ——溫度傳感器響應(yīng)時間對測量結(jié)果的影響

      2020-09-10 08:04:06伍偉雄周裕華謝凱鋒
      環(huán)境技術(shù) 2020年4期
      關(guān)鍵詞:熱容量鉑電阻試驗設(shè)備

      伍偉雄,周裕華,謝凱鋒

      (工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣州 510610)

      引言

      對于環(huán)境試驗設(shè)備的溫度測量[1],溫度傳感器的響應(yīng)時間,不僅影響設(shè)備溫度變化速率的測量結(jié)果,同樣影響設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)時溫度偏差[2]、波動度、均勻度的測量結(jié)果,對于這個問題,也許未能引起人們的足夠重視。

      在環(huán)境試驗設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中,對溫度傳感器響應(yīng)時間的規(guī)定各不相同,也沒有明確指出是在液體中的響應(yīng)時間,還是在空氣中的響應(yīng)時間。

      JJF 1101—2003《環(huán)境試驗設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》[3]給出了穩(wěn)定狀態(tài)測量時,溫度傳感器和測量儀器組成的測量系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于15 s,沒有說明是液體中的響應(yīng)時間還是空氣中的響應(yīng)時間。由于該規(guī)范沒有溫度變化速率測量項目,所以沒有給出溫度變化速率測量時對溫度傳感器響應(yīng)時間的要求。

      JJF 1270—2010《溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》[4]給出了穩(wěn)定狀態(tài)測量時,溫度傳感器的溫度響應(yīng)時間小于15 s,測量溫度變化速率時,溫度傳感器的溫度響應(yīng)時間小于0.5 s,沒有說明是液體中的響應(yīng)時間還是空氣中的響應(yīng)時間。

      GB/T 5170.2—2017 《環(huán)境試驗設(shè)備檢驗方法 第2部分:溫度試驗設(shè)備》[5]給出了穩(wěn)定狀態(tài)測量時,溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成的測量系統(tǒng),在空氣中溫度響應(yīng)時間小于40 s,當(dāng)測量溫度變化速率時,測量系統(tǒng)的溫度響應(yīng)時間小于0.5 s。

      本文通過一個簡單的對比測量實驗,說明溫度傳感器的響應(yīng)時間,對設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)下溫度偏差、溫度波動度、溫度均勻度的測量結(jié)果,也有不可忽視的影響,期望能引起人們的足夠重視。

      1 影響分析

      溫度傳感器的響應(yīng)時間,反映的是傳感器對溫度變化的跟隨能力,響應(yīng)時間越小,跟隨溫度變化的能力越強,反之響應(yīng)時間越大,跟隨溫度變化的能力越差。

      環(huán)境試驗設(shè)備的溫度測量,需要測量設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)時的溫度偏差、溫度波動度、溫度均勻度,在變化狀態(tài)時測量設(shè)備的溫度變化速率。試驗設(shè)備的所謂穩(wěn)定狀態(tài),是指在某一溫度范圍內(nèi)波動,而非靜止不動,這種波動通常不是規(guī)律性的。因此,溫度傳感器需要有一定的跟隨溫度變化能力。

      空氣的熱容量小,導(dǎo)熱性差,這是空氣的固有特性,與之相反,液體的熱容量大,導(dǎo)熱性好。正是熱容量和導(dǎo)熱性這兩種特性,造成了以空氣為介質(zhì)的恒溫設(shè)備,如環(huán)境試驗設(shè)備,它的穩(wěn)定性和均勻性,比以液體為介質(zhì)的恒溫槽差了約一個數(shù)量級以上。

      使用溫度傳感器測量環(huán)境試驗設(shè)備的空氣溫度,是一種接觸式的溫度測量方法。接觸式溫度測量,意味著溫度傳感器與被測介質(zhì)會發(fā)生熱交換,而且這種熱交換需要達到一種平衡狀態(tài),才能正確測得被測對象的溫度。

      溫度傳感器的熱容量是影響其響應(yīng)時間的核心原因,熱容量越大,意味著需要吸取更多的熱量,才能使傳感器與被測達到熱平衡,這時傳感器跟隨溫度變化的能力就會越差,即它的響應(yīng)時間就會越大。與之相反,熱容量越小,意味著需要吸取更少的熱量,就可以使傳感器與被測達到熱平衡,傳感器的跟隨溫度變化的能力就會越強,即它的響應(yīng)時間就會越小。

      環(huán)境試驗設(shè)備的溫度測量,實質(zhì)上是測量其工作空間內(nèi)的空氣溫度,而空氣的熱容量比溫度傳感器的熱容量小得多,特別是采用金屬做外殼封裝的溫度傳感器,它的熱容量比空氣大很多。所以,熱容量大的溫度傳感器,它的響應(yīng)時間就比較大,當(dāng)空氣發(fā)生相對較快的溫度變化時,溫度傳感器測得的溫度,偏離實際的溫度就會比較大,與之相反,熱容量小的溫度傳感器,它的響應(yīng)時間就比較小,溫度傳感器測得的溫度,偏離實際的溫度就會比較小。

      2 實驗設(shè)計

      實驗的目的主要是證實溫度傳感器的響應(yīng)時間,對環(huán)境試驗設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)下溫度測量結(jié)果的影響,因此需要選擇不同響應(yīng)時間的溫度傳感器,對環(huán)境試驗設(shè)備進行實際的溫度測量。目前,接觸式測溫的溫度傳感器,主要是熱電阻溫度傳感器[6]和熱電偶溫度傳感器,熱電偶溫度傳感器的響應(yīng)時間,通常比熱電阻溫度傳感器的響應(yīng)時間要小。

      環(huán)境試驗設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)下,需要測量的項目是溫度偏差、溫度波動度、溫度均勻度,按照溫度偏差、溫度波動度、溫度均勻度的定義,用不同響應(yīng)時間的溫度計同時測量設(shè)備的溫度波動度,如果溫度波動度測量結(jié)果不同,必然會導(dǎo)致溫度偏差和溫度均勻度測量結(jié)果不同。因此,在本實驗中,只需要使用不同響應(yīng)時間的溫度傳感器測量設(shè)備的溫度波動度,然后通過比較它們的測量結(jié)果,即可得到溫度傳感器響應(yīng)時間對測量結(jié)果的影響,而不必測量溫度偏差和溫度均勻度。

      選取一支約φ6.4 mm×508 mm鎧裝的二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計,一支約φ4 mm×35 mm鎧裝的A級鉑電阻溫度計[7],一支約φ2 mm×2 000 mm鎧裝的工業(yè)熱電偶溫度計,這三支溫度計由于感溫端的大小不同,因而熱容量不相同,即響應(yīng)時間不相同。三支溫度計響應(yīng)時間的大小依次為二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計、A級鉑電阻溫度計、工業(yè)熱電偶溫度計。按照溫度波動度的定義,波動度是指在某時間段內(nèi)測得的最大值與最小值之間的差值,因此不需要考慮三支溫度計測量的量值是否準(zhǔn)確。

      3 實驗測試

      用所選取的三支溫度計,分別放置在一臺超高穩(wěn)定性的溫度箱的幾何中心位置,在溫度箱穩(wěn)定后,每1 min測量1次,共測30次,然后分別計算三支溫度計所測得的溫度波動度。溫度波動度測量的溫度點分別為50 ℃、100℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃,測量結(jié)果如表1。

      4 實驗結(jié)果

      標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的響應(yīng)時間最大,在所有的測試溫度點中,測得的溫度波動度最小,熱電偶溫度計的響應(yīng)時間最小,測得的溫度波動度最大。本實驗雖然沒有三支溫度計響應(yīng)時間的具體數(shù)據(jù),但標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的響應(yīng)時間比A級鉑電阻溫度計要大,A級鉑電阻溫度計的響應(yīng)時間又比熱電偶溫度計大是肯定的。從測量數(shù)據(jù)上看, A級鉑電阻溫度計的測量結(jié)果,比標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的測量結(jié)果大近兩倍,熱電偶溫度計的測量結(jié)果,又比A級鉑電阻溫度計的測量結(jié)果大近兩倍,說明溫度傳感器的響應(yīng)時間,對環(huán)境試驗設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)下的測量結(jié)果也有顯著影響。

      實驗結(jié)果也說明,由于空氣的熱容量小,使用鉑電阻溫度計或熱電偶溫度計等接觸式測溫傳感器,實質(zhì)上是無法測得環(huán)境試驗設(shè)備工作空間中空氣瞬時的實際溫度,只能是溫度傳感器的響應(yīng)時間越小,測量值越接近空氣瞬時的實際溫度。

      5 實驗結(jié)論

      從本實驗的結(jié)果來看,溫度傳感器的響應(yīng)時間對測量結(jié)果的影響是明確的,而且影響顯著,應(yīng)引起人們的認真對待和重視,比如在制訂環(huán)境試驗設(shè)備相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、校準(zhǔn)規(guī)范時,認真考慮測量溫度所用傳感器的響應(yīng)時間對測量結(jié)果的影響,給出合理的溫度傳感器響應(yīng)時間范圍,在使用溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)時,合理分析傳感器響應(yīng)時間帶來的影響等等。

      表1 三支溫度計同時測量溫度箱溫度波動度的測量結(jié)果

      實驗的結(jié)果還提示我們,JJF 1101-2003《環(huán)境試驗設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定溫度傳感器和測量儀器組成的測量系統(tǒng)的溫度響應(yīng)時間小于15 s,JJF 1270-2010《溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定溫度傳感器的溫度響應(yīng)時間小于15 s,GB/T 5170.2-2017《環(huán)境試驗設(shè)備檢驗方法 第2部分:溫度試驗設(shè)備》規(guī)定溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成的測量系統(tǒng),在空氣中溫度響應(yīng)時間小于40 s,這些規(guī)定只給出了響應(yīng)時間的上限,沒有給出下限。這就有可能出現(xiàn)使用響應(yīng)時間大的溫度傳感器,測量環(huán)境試驗設(shè)備的溫度在規(guī)定范圍內(nèi),而使用響應(yīng)時間小的溫度傳感器,測量環(huán)境試驗設(shè)備的溫度在規(guī)定范圍外的情況。因此,在環(huán)境試驗設(shè)備溫度測量的實際工作中,應(yīng)注意分析溫度傳感器響應(yīng)時間對測量結(jié)果的影響,選擇合適響應(yīng)時間的溫度傳感器。

      6 結(jié)束語

      溫度傳感器響應(yīng)時間對環(huán)境試驗設(shè)備溫度測量的影響,這個問題的提出,它的意義在于,當(dāng)我們需要使用、評價所測得的環(huán)境試驗設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)時,不應(yīng)忽略、遺漏測量傳感器響應(yīng)時間對測得的溫度值的影響,恰當(dāng)評價傳感器響應(yīng)時間對測量值的不確定度貢獻。同時,另一個意義還在于,當(dāng)我們制訂環(huán)境試驗設(shè)備溫度測量的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、校準(zhǔn)規(guī)范時,應(yīng)該給出合適的溫度傳感器響應(yīng)時間范圍,使最大響應(yīng)時間和最小響應(yīng)時間測得的結(jié)果的差異,控制在合理的范圍內(nèi)。

      遺憾的是,到目前為止,接觸式測溫傳感器的響應(yīng)時間,如何確定和測量,并沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或校準(zhǔn)規(guī)范,JJF 1049-1995《溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)規(guī)范》[8]是對高速氣流狀態(tài)下溫度傳感器響應(yīng)時間的校準(zhǔn),而非本文所說的環(huán)境試驗設(shè)備溫度測量的情況。

      一個簡單的實驗,雖然證實了溫度傳感器響應(yīng)時間對測量結(jié)果有不可忽視的影響,然而,傳感器響應(yīng)時間對測量結(jié)果影響的程度等問題,還需要更多的實驗和探索。

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