温度传感器浸没方式对温度计校准结果的影响

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

温度是描述物体冷热程度的物理量，是国际单位制（简称SI）规定的七个基本单位之一。接触式数字温度计测量温度具有量值直观性强、准确度高和稳定性好等特点，已在经济建设的各个领域得到广泛应用。

随着科学技术水平的提高以及实际生产应用的需要，国内外生产厂家研制出了各类多功能的数字温度计，具有分辨力高、单位转换、数据查询存储等功能。为了满足高端测量市场的需求，部分数字温度计具有较高准确度等级，因此，对温度计计量性能评定提出了更高的要求。

在-80～300 ℃温度范围内，接触式数字温度计的温度传感器主要有三类：铂热电阻、热电偶、热敏电阻。温度传感器将温度变化转换成模拟信号变化，使用AD转换电路转换为数字信号，根据预先置入的温度与数字信号的相关模型，显示出测量的温度数值。对于这些接触式数字温度计，可采用标准铂电阻温度计作为标准器，配套使用测温范围-80～300 ℃的恒温槽，采用比较法进行校准。在校准过程中，特别需要注意温度传感器的浸没深度和稳定时间，如果浸没深度不够或稳定时间短，可能会产生明显的漏热现象，影响校准结果。本文针对温度传感器的浸没方式和深度，进行对比试验分析。

1 试验内容与方法

1.1 使用设备

1）标准器：二等标准铂电阻温度计。

2）电测设备：数字测温仪最大允差为±0.002 5 ℃（在25 ℃时），分辨力为0.000 1 ℃，配二等标准铂电阻温度计使用。

3）恒温设备：根据不同温度点，选择不同恒温槽，恒温槽中介质分别为酒精、水和硅油；测温范围 -80～20 ℃的制冷恒温槽、测温范围 20～90 ℃的恒温水槽和测温范围100～300 ℃的恒温油槽，均匀性为 0.01 ℃，波动度为 ±0.01 ℃ /10 min。

4）被校 ：分辨力为0.01 ℃的接触式数字温度计，允差为±0.2 ℃。

5）辅助 ：4支不同直径的玻璃试管，如表1所示。

表 1 4 支不同直径的玻璃试管 单位：mm

1.2 试验方法

接触式数字温度计的温度传感器校准主要分为两类：

1）温度传感器具有防水功能且长度符合浸没深度要求，浸没深度不小于7.5 cm，可直接浸没于恒温槽中进行校准，并使被校数字温度计的温度传感器尽可能靠近标准温度计。

2）温度传感器不具备防水功能或直径较小的，均需插入玻璃试管中进行校准，且玻璃试管的内径应与温度传感器的直径相当，避免损坏温度传感器或因温度传感器质量轻而漂浮在恒温槽液面上，从而引起测量偏差。

试验中，将二等标准铂电阻温度计与被校数字温度计的温度传感器按规定浸没深度浸入恒温槽中，以二等标准铂电阻温度计为准，恒温槽恒定温度偏离校准点不超过0.2 ℃（本次试验不超过0.0 ℃）。待恒温槽温度稳定后读取示值，分别读取被校数字温度计和标准温度计的示值，读取4次。读取示值应迅速、时间间隔均匀，取4次示值平均值计算被校数字温度计的示值误差。

2 不同试验方法的比较与分析

2.1 温度传感器不同浸没方式试验结果的比较

图1给出了将温度传感器直接浸入恒温槽中进行校准和将温度传感器插入玻璃试管中进行校准所得到的试验结果的比较。本次试验中以校准温度变化率不超过0.01 ℃/5 min为稳定条件。

图1 两种校准方法试验结果的比较

由图1可以看出，两种不同校准方式达到稳定条件所需的时间分别为 90 s、120 s。校准温度在0 ℃时的稳定温度分别为0.22 ℃、0.28 ℃。采用直接将温度传感器浸入恒温槽中的校准方法，温度传感器受热响应较快，达到温度稳定状态所需时间较短；采用插入玻璃试管的校准方法，温度传感器受热响应较慢，达到温度稳定时间较长，且可能与校准点温度偏离较大，超出仪器使用允差范围。

2.2 不同直径玻璃试管试验结果的比较

对于不具备防水功能或直径较小的温度传感器，需要插入玻璃试管中再浸入恒温槽校准。大多数温度传感器采用金属外壳封装，直径大小不一。图2给出了对于同一温度传感器，外径为2.1 mm，分别使用4种不同内径的玻璃试管，校准温度点在0 ℃时所需的时间及试验结果。

由图2可以看出，1号玻璃试管内径为3.4 mm，与温度传感器直径更接近，降温迅速，且稳定时间最短，为100 s，稳定温度为0.06 ℃。随着玻璃试管直径的匹配程度越低，降温越缓慢且稳定所需时间越长，2号、3号和4号玻璃试管稳定时间分别为130 s、150 s和 180 s，稳定温度分别为 0.11 ℃、0.33 ℃和0.57 ℃，更加偏离校准点温度。这是由于玻璃试管内空气与外界空气产生对流，出现了明显漏热现象，因此，应尽量选择与温度传感器直径相当的玻璃试管进行校准。

图2 不同直径玻璃试管试验方法的比较

2.3 温度传感器在玻璃试管中不同位置对校准结果的影响

将温度传感器装入玻璃试管中校准时，除了要考虑玻璃试管的内径，还需考虑插入玻璃试管中的位置，即温度传感器在恒温槽中的浸没深度。选择1号玻璃试管，外径为2.1 mm的温度传感器，将其分3次插入玻璃试管中的不同位置进行校准，温度在0 ℃的比较试验，图3给出了试验过程所需校准点的时间及试验结果。

图3 温度传感器在玻璃试管中不同位置校准结果的比较

由图3可以看出，在选择了与温度传感器直径相当的玻璃试管后，温度传感器在玻璃试管中的放置位置对校准结果也存在一定的影响。温度传感器插入玻璃试管最底部时温度稳定时间最短，为 100 s，稳定温度为0.06 ℃。温度传感器在其他两处位置的稳定时间分别为 120 s、140 s，稳定温度分别为 0.14 ℃、0.33 ℃。这是由于温度传感器浸没深度不够，增加了导热的热阻，到达校准点时间较长且校准结果偏离校准点较大。因此，在校准数字温度计时应将温度传感器插入至玻璃试管底部。

3 结语

通过比对试验，本文针对数字温度计中温度传感器的不同浸没方式、深度进行了实验，试验结果表明，直接浸没恒温槽校准比插入玻璃试管校准，导热迅速，稳定时间短；但对于不具有防水功能或直径较小的温度传感器，均需选择与温度传感器直径相当的玻璃试管，将温度传感器插入至玻璃试管底部进行校准，用棉花塞紧管口以消除玻璃试管中空气与外界空气的对流影响，减小测量误差。