家用电磁灶能效标识检测中采用铂电阻温度计替代水银温度计测量温度

2014-03-22李楠

计量技术 2014年10期

李　楠

(北京市计量检测科学研究院，北京 100029)

0　引言

能源效率标识用于表示用能产品的能源效率等级等性能指标，直观地明示了用能产品的能源效率等级、能源消耗指标以及其他比较重要的性能指标。在能效标识检测中，通常使用水银温度计测量温度，由于水银温度计量程比较短，因此，需要两支水银温度计进行测量，会影响测量结果准确度。另外，在测量过程中，全浸式水银温度计局浸使用，会引入方法误差，而且需要专用读数望远镜读数，使用很不方便。本文根据现有技术条件和水平，采用铂电阻温度计替代水银温度计进行温度测量，克服了上述缺陷，不仅操作简单，而且合理可行。

1　家用电磁灶热效率检测方法

依据《GB 21456—2008家用电磁灶能效限定值及能源效率等级》和《JJF 1261.3—2010家用电磁灶能源效率标识计量检测规则》，温度检测点一般选择15℃和90℃，电磁灶热效率测量示意图见图1。测量方法如下：测量前应确认被测电磁灶处于冷态，根据电磁灶加热线圈盘有效直径，选择可以覆盖加热区域的最小规格平底标准锅；水银温度计置于锅内中心位置，水银温度计感温部分浸入水中且底端距离锅底10mm；初始水温为15±1℃，当水银温度计的温升接近75K(即快要达到90℃)时切断电磁灶的供电电源，同时记录功率计累计电能量，并读取1min内水银温度计的最高温度读数，温升在75±1K范围内测量结果有效(即温度90±1℃范围内有效)。重复以上步骤，根据式(1)计算第2次、第3次测量的电磁灶热效率，计算3次测量的热效率平均值。

图1　电磁灶热效率测试示意图

单次测量的电磁灶热效率按式(1)计算：

(1)

式中，ηi为单次测量的电磁灶热效率(i=1,2,3)，％；c1为水的比热容，取4.18kJ/kg·K；m1为水的质量，kg；c2为锅身和锅盖的比热容，取0.46kJ/kg·K；m2为锅身和锅盖的总质量，kg；E为消耗的电能量，kWh；ΔT为温度升高值，K；t 为单位换算常数，t =3.6×103s/h。

2　现有热效率检测方法中存在的问题

在热效率的测量过程中，水的质量采用电子秤测量，消耗的电能量采用功率计测量，上述两项参数的测量设备都可以满足实际的要求，测量结果的重复性、复现性也比较理想。而温度的测量方法存在一些缺陷。

在多次实际测试中，发现采用水银温度计存在以下几个问题：

1)需要两支水银温度计，影响了测量结果准确度。在电磁灶升温前，温度稳定在(15±1)℃范围时，需要测量一个起始温度；在即将达到90℃，关闭电磁灶电源后，还需要测量一个最高温度。由玻璃温度计构造原理可知，在水银温度计长度一定的情况下，其准确度与量程成反比。即准确度越高，其量程越短。准确度为±0.05℃的水银温度计，由于毛细管非常细，所以量程都比较短，一般量程只有25℃。目前还没有测量范围覆盖15℃～90℃，准确度为±0.05℃的水银温度计，所以完成上述起始和结束两次测量，需要一支测量范围为0℃～25℃的水银温度计和另一支测量范围为75℃～100℃的水银温度计。由于两支温度计存在系统误差，在进行温差计算时，会影响测量结果的准确度。

2)全浸式温度计局浸使用，引入了方法误差。依据《GB 21456—2008家用电磁灶能效限定值及能源效率等级》和《JJF 1261.3—2010家用电磁灶能源效率标识计量检测规则》，测量温度选用的准确度为±0.05℃的玻璃水银温度计。目前，国内符合要求的水银温度计，只有原一等标准水银温度计。在《JJG 161—2010标准水银温度计检定规程》颁布实施后，原有一等标准水银温度计和二等水银温度计统称为标准水银温度计。原一等标准水银温度计用于在恒温槽内，以比较法方式检定工作用玻璃温度计。原一等标准水银温度计属于全浸式温度计，浸没深度至少在15cm以上，随着温度的不断升高，浸没深度不断增加，最深可达到45cm。这种全浸没方式的温度计受环境温度的影响较小，测量准确度较高，使用见图2。

图2　全浸玻璃温度计使用示意图

在电磁灶热效率的测量过程中，全浸式的水银温度计并未全浸使用。在图1中，“O”点对应着标准锅盖上表面位置，也即“玻璃温度计检定规程中的液面位置”。“A”点对应着一等水银温度计的刻线起始位置，“B”点对应着感温液柱的顶端。“OB”属于玻璃温度计露出液柱部分，而“OA”部分属于露出液柱无刻度部分，“AB”部分属于露出液柱有刻度部分。在上述热效率测试中，原全浸式一等标准水银温度计变成为局浸式温度计，这种局浸式温度计在测量不同温度时，浸没深度始终不变。由于局浸式温度计的露出液柱(浸没位置到毛细管内感温液柱顶端)受周围环境温度等因素的影响较大，其测量准确度要明显低于全浸式温度计。根据《JJG 130—2011 工作用玻璃体温度计》要求，需要使用辅助温度计，捆绑在标准温度计露出液柱部分，读取标准温度计露出液柱的平均温度，对其露出液柱进行修正，局浸式温度计的使用见图3。

图3　局浸玻璃温度计使用示意图

露出液柱长度是以刻度数计算。但是在电磁灶热效率试验中，由于选用水银温度计从标准锅上表面至最低刻线处(即图1中的OA部分)有100mm左右是没有刻度的，如何计算此段温度的补偿值？由于每一支水银温度计的毛细管内径是有区别的，而且是不均匀的。所以，每一支水银温度计OA部分的长度也是不一样的，即用两支不同的水银温度计，按照上述热效率测量方法测量温差，结果也会有明显的不同。

3)玻璃温度计读数需要专用读数望远镜，使用不方便。

4)根据国际协议《水俣公约》，2020年水银温度计即将被淘汰，不宜作为计量标准器使用。

3　其它温度传感器的测量效果

目前，在大量使用的温度传感器还有铂热电阻、热电偶和热敏电阻等传感器。相应的数字温度计使用的也很广泛。

由于金属铂在氧化性介质或高温环境中具有较好的物理和化学稳定性，因此，利用铂制作的铂热电阻温度传感器有较高的精度，不仅作为工业上的测温元件，也作为复现热力学温标的基准和标准。特别是近年来市场上出现了大量的厚膜和薄膜铂热电阻感温元件，具有体积很小等特性，经校准在0℃～100℃范围内的短期稳定性可以达到0.05℃，可以满足电磁灶温度测量的要求，是比较理想的高精度、高灵敏温度传感器。

热电偶也是温度测量中常用的测温元件，根据其热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表。分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。热电偶的热电势将随着测量端温度升高而增长，热电势的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。热电偶本身，也具有体积小、测量滞后小等特点，但是其稳定性、准确性不如铂热电阻。短期稳定性不能达到0.05℃。

热敏电阻是利用其电阻随温度变化而变化的特性来测量温度，根据其温度系数的正负极性可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻，具有体积小、响应快(适合于快速测温)、使用寿命长、价格低等特点。经过筛选的质量上乘的热敏电阻可以达到0.05℃非常理想。但是由于热敏电阻的阻值过大，一般在几kΩ以上，量程较短，所以一支热敏电阻温度计无法覆盖15℃～90℃的范围，因此，热敏电阻温度计也不适宜在此使用。

为保证测量准确、操作简单，采用以薄膜热电阻做传感器的数字温度计，取代水银温度计，测量电磁灶的热效率是可行的，如表1所示。尽管在理论上，电磁灶工作时可能会对数字温度计的测量产生干扰，但实际测量中，由于仅测量电磁灶启动前和断电后的温度，所以基本可以排除电磁干扰。以数字温度计测量热效率示意图，见图4。

图4　以数字温度计做标准，测量电磁灶热效率的示意图

表1　水银温度计与数字温度计测温对比

为保证测量准确度，在测量热效率前，应对数字温度计进行校准。在15℃和90℃两点校准即可。由于标准锅内温场不均匀、不稳定，数字温度计的响应又比较快，所以数字温度计的显示会出现不断跳跃、起伏的现象，这并不是数字温度计本身的问题。玻璃温度计由于感温部分较长、热容量较大，测量的温度是累计和平均的效果，所以读数一般不出现跳跃、起伏的现象。