环境试验设备参数测量——温度传感器响应时间对测量结果的影响

伍伟雄，周裕华，谢凯锋

（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

引言

对于环境试验设备的温度测量[1]，温度传感器的响应时间，不仅影响设备温度变化速率的测量结果，同样影响设备在稳定状态时温度偏差[2]、波动度、均匀度的测量结果，对于这个问题，也许未能引起人们的足够重视。

在环境试验设备的相关标准中，对温度传感器响应时间的规定各不相同，也没有明确指出是在液体中的响应时间，还是在空气中的响应时间。

JJF 1101—2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》[3]给出了稳定状态测量时，温度传感器和测量仪器组成的测量系统的响应时间小于15 s，没有说明是液体中的响应时间还是空气中的响应时间。由于该规范没有温度变化速率测量项目，所以没有给出温度变化速率测量时对温度传感器响应时间的要求。

JJF 1270—2010《温度、湿度、振动综合环境试验系统校准规范》[4]给出了稳定状态测量时，温度传感器的温度响应时间小于15 s，测量温度变化速率时，温度传感器的温度响应时间小于0.5 s，没有说明是液体中的响应时间还是空气中的响应时间。

GB/T 5170.2—2017 《环境试验设备检验方法 第2部分：温度试验设备》[5]给出了稳定状态测量时，温度传感器和数据采集器组成的测量系统，在空气中温度响应时间小于40 s，当测量温度变化速率时，测量系统的温度响应时间小于0.5 s。

本文通过一个简单的对比测量实验，说明温度传感器的响应时间，对设备在稳定状态下温度偏差、温度波动度、温度均匀度的测量结果，也有不可忽视的影响，期望能引起人们的足够重视。

1 影响分析

温度传感器的响应时间，反映的是传感器对温度变化的跟随能力，响应时间越小，跟随温度变化的能力越强，反之响应时间越大，跟随温度变化的能力越差。

环境试验设备的温度测量，需要测量设备在稳定状态时的温度偏差、温度波动度、温度均匀度，在变化状态时测量设备的温度变化速率。试验设备的所谓稳定状态，是指在某一温度范围内波动，而非静止不动，这种波动通常不是规律性的。因此，温度传感器需要有一定的跟随温度变化能力。

空气的热容量小，导热性差，这是空气的固有特性，与之相反，液体的热容量大，导热性好。正是热容量和导热性这两种特性，造成了以空气为介质的恒温设备，如环境试验设备，它的稳定性和均匀性，比以液体为介质的恒温槽差了约一个数量级以上。

使用温度传感器测量环境试验设备的空气温度，是一种接触式的温度测量方法。接触式温度测量，意味着温度传感器与被测介质会发生热交换，而且这种热交换需要达到一种平衡状态，才能正确测得被测对象的温度。

温度传感器的热容量是影响其响应时间的核心原因，热容量越大，意味着需要吸取更多的热量，才能使传感器与被测达到热平衡，这时传感器跟随温度变化的能力就会越差，即它的响应时间就会越大。与之相反，热容量越小，意味着需要吸取更少的热量，就可以使传感器与被测达到热平衡，传感器的跟随温度变化的能力就会越强，即它的响应时间就会越小。

环境试验设备的温度测量，实质上是测量其工作空间内的空气温度，而空气的热容量比温度传感器的热容量小得多，特别是采用金属做外壳封装的温度传感器，它的热容量比空气大很多。所以，热容量大的温度传感器，它的响应时间就比较大，当空气发生相对较快的温度变化时，温度传感器测得的温度，偏离实际的温度就会比较大，与之相反，热容量小的温度传感器，它的响应时间就比较小，温度传感器测得的温度，偏离实际的温度就会比较小。

2 实验设计

实验的目的主要是证实温度传感器的响应时间，对环境试验设备在稳定状态下温度测量结果的影响，因此需要选择不同响应时间的温度传感器，对环境试验设备进行实际的温度测量。目前，接触式测温的温度传感器，主要是热电阻温度传感器[6]和热电偶温度传感器，热电偶温度传感器的响应时间，通常比热电阻温度传感器的响应时间要小。

环境试验设备在稳定状态下，需要测量的项目是温度偏差、温度波动度、温度均匀度，按照温度偏差、温度波动度、温度均匀度的定义，用不同响应时间的温度计同时测量设备的温度波动度，如果温度波动度测量结果不同，必然会导致温度偏差和温度均匀度测量结果不同。因此，在本实验中，只需要使用不同响应时间的温度传感器测量设备的温度波动度，然后通过比较它们的测量结果，即可得到温度传感器响应时间对测量结果的影响，而不必测量温度偏差和温度均匀度。

选取一支约φ6.4 mm×508 mm铠装的二等标准铂电阻温度计，一支约φ4 mm×35 mm铠装的A级铂电阻温度计[7]，一支约φ2 mm×2 000 mm铠装的工业热电偶温度计，这三支温度计由于感温端的大小不同，因而热容量不相同，即响应时间不相同。三支温度计响应时间的大小依次为二等标准铂电阻温度计、A级铂电阻温度计、工业热电偶温度计。按照温度波动度的定义，波动度是指在某时间段内测得的最大值与最小值之间的差值，因此不需要考虑三支温度计测量的量值是否准确。

3 实验测试

用所选取的三支温度计，分别放置在一台超高稳定性的温度箱的几何中心位置，在温度箱稳定后，每1 min测量1次，共测30次，然后分别计算三支温度计所测得的温度波动度。温度波动度测量的温度点分别为50 ℃、100℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃，测量结果如表1。

4 实验结果

标准铂电阻温度计的响应时间最大，在所有的测试温度点中，测得的温度波动度最小，热电偶温度计的响应时间最小，测得的温度波动度最大。本实验虽然没有三支温度计响应时间的具体数据，但标准铂电阻温度计的响应时间比A级铂电阻温度计要大，A级铂电阻温度计的响应时间又比热电偶温度计大是肯定的。从测量数据上看， A级铂电阻温度计的测量结果，比标准铂电阻温度计的测量结果大近两倍，热电偶温度计的测量结果，又比A级铂电阻温度计的测量结果大近两倍，说明温度传感器的响应时间，对环境试验设备在稳定状态下的测量结果也有显著影响。

实验结果也说明，由于空气的热容量小，使用铂电阻温度计或热电偶温度计等接触式测温传感器，实质上是无法测得环境试验设备工作空间中空气瞬时的实际温度，只能是温度传感器的响应时间越小，测量值越接近空气瞬时的实际温度。

5 实验结论

从本实验的结果来看，温度传感器的响应时间对测量结果的影响是明确的，而且影响显著，应引起人们的认真对待和重视，比如在制订环境试验设备相关国家标准、校准规范时，认真考虑测量温度所用传感器的响应时间对测量结果的影响，给出合理的温度传感器响应时间范围，在使用温度传感器测得的数据时，合理分析传感器响应时间带来的影响等等。

表1 三支温度计同时测量温度箱温度波动度的测量结果

实验的结果还提示我们，JJF 1101-2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》规定温度传感器和测量仪器组成的测量系统的温度响应时间小于15 s，JJF 1270-2010《温度、湿度、振动综合环境试验系统校准规范》规定温度传感器的温度响应时间小于15 s，GB/T 5170.2-2017《环境试验设备检验方法 第2部分：温度试验设备》规定温度传感器和数据采集器组成的测量系统，在空气中温度响应时间小于40 s，这些规定只给出了响应时间的上限，没有给出下限。这就有可能出现使用响应时间大的温度传感器，测量环境试验设备的温度在规定范围内，而使用响应时间小的温度传感器，测量环境试验设备的温度在规定范围外的情况。因此，在环境试验设备温度测量的实际工作中，应注意分析温度传感器响应时间对测量结果的影响，选择合适响应时间的温度传感器。

6 结束语

温度传感器响应时间对环境试验设备温度测量的影响，这个问题的提出，它的意义在于，当我们需要使用、评价所测得的环境试验设备的温度数据时，不应忽略、遗漏测量传感器响应时间对测得的温度值的影响，恰当评价传感器响应时间对测量值的不确定度贡献。同时，另一个意义还在于，当我们制订环境试验设备温度测量的相关国家标准、校准规范时，应该给出合适的温度传感器响应时间范围，使最大响应时间和最小响应时间测得的结果的差异，控制在合理的范围内。

遗憾的是，到目前为止，接触式测温传感器的响应时间，如何确定和测量，并没有相关的国家标准或校准规范，JJF 1049-1995《温度传感器动态响应校准规范》[8]是对高速气流状态下温度传感器响应时间的校准，而非本文所说的环境试验设备温度测量的情况。

一个简单的实验，虽然证实了温度传感器响应时间对测量结果有不可忽视的影响，然而，传感器响应时间对测量结果影响的程度等问题，还需要更多的实验和探索。