李　楠

(北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院，北京 100029)

0　引言

能源效率標(biāo)識用于表示用能產(chǎn)品的能源效率等級等性能指標(biāo)，直觀地明示了用能產(chǎn)品的能源效率等級、能源消耗指標(biāo)以及其他比較重要的性能指標(biāo)。在能效標(biāo)識檢測中，通常使用水銀溫度計(jì)測量溫度，由于水銀溫度計(jì)量程比較短，因此，需要兩支水銀溫度計(jì)進(jìn)行測量，會影響測量結(jié)果準(zhǔn)確度。另外，在測量過程中，全浸式水銀溫度計(jì)局浸使用，會引入方法誤差，而且需要專用讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡讀數(shù)，使用很不方便。本文根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件和水平，采用鉑電阻溫度計(jì)替代水銀溫度計(jì)進(jìn)行溫度測量，克服了上述缺陷，不僅操作簡單，而且合理可行。

1　家用電磁灶熱效率檢測方法

依據(jù)《GB 21456—2008家用電磁灶能效限定值及能源效率等級》和《JJF 1261.3—2010家用電磁灶能源效率標(biāo)識計(jì)量檢測規(guī)則》，溫度檢測點(diǎn)一般選擇15℃和90℃，電磁灶熱效率測量示意圖見圖1。測量方法如下：測量前應(yīng)確認(rèn)被測電磁灶處于冷態(tài)，根據(jù)電磁灶加熱線圈盤有效直徑，選擇可以覆蓋加熱區(qū)域的最小規(guī)格平底標(biāo)準(zhǔn)鍋；水銀溫度計(jì)置于鍋內(nèi)中心位置，水銀溫度計(jì)感溫部分浸入水中且底端距離鍋底10mm；初始水溫為15±1℃，當(dāng)水銀溫度計(jì)的溫升接近75K(即快要達(dá)到90℃)時切斷電磁灶的供電電源，同時記錄功率計(jì)累計(jì)電能量，并讀取1min內(nèi)水銀溫度計(jì)的最高溫度讀數(shù)，溫升在75±1K范圍內(nèi)測量結(jié)果有效(即溫度90±1℃范圍內(nèi)有效)。重復(fù)以上步驟，根據(jù)式(1)計(jì)算第2次、第3次測量的電磁灶熱效率，計(jì)算3次測量的熱效率平均值。

圖1　電磁灶熱效率測試示意圖

單次測量的電磁灶熱效率按式(1)計(jì)算：

(1)

式中，ηi為單次測量的電磁灶熱效率(i=1,2,3)，％；c1為水的比熱容，取4.18kJ/kg·K；m1為水的質(zhì)量，kg；c2為鍋身和鍋蓋的比熱容，取0.46kJ/kg·K；m2為鍋身和鍋蓋的總質(zhì)量，kg；E為消耗的電能量，kWh；ΔT為溫度升高值，K；t 為單位換算常數(shù)，t =3.6×103s/h。

2　現(xiàn)有熱效率檢測方法中存在的問題

在熱效率的測量過程中，水的質(zhì)量采用電子秤測量，消耗的電能量采用功率計(jì)測量，上述兩項(xiàng)參數(shù)的測量設(shè)備都可以滿足實(shí)際的要求，測量結(jié)果的重復(fù)性、復(fù)現(xiàn)性也比較理想。而溫度的測量方法存在一些缺陷。

在多次實(shí)際測試中，發(fā)現(xiàn)采用水銀溫度計(jì)存在以下幾個問題：

1)需要兩支水銀溫度計(jì)，影響了測量結(jié)果準(zhǔn)確度。在電磁灶升溫前，溫度穩(wěn)定在(15±1)℃范圍時，需要測量一個起始溫度；在即將達(dá)到90℃，關(guān)閉電磁灶電源后，還需要測量一個最高溫度。由玻璃溫度計(jì)構(gòu)造原理可知，在水銀溫度計(jì)長度一定的情況下，其準(zhǔn)確度與量程成反比。即準(zhǔn)確度越高，其量程越短。準(zhǔn)確度為±0.05℃的水銀溫度計(jì)，由于毛細(xì)管非常細(xì)，所以量程都比較短，一般量程只有25℃。目前還沒有測量范圍覆蓋15℃～90℃，準(zhǔn)確度為±0.05℃的水銀溫度計(jì)，所以完成上述起始和結(jié)束兩次測量，需要一支測量范圍為0℃～25℃的水銀溫度計(jì)和另一支測量范圍為75℃～100℃的水銀溫度計(jì)。由于兩支溫度計(jì)存在系統(tǒng)誤差，在進(jìn)行溫差計(jì)算時，會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2)全浸式溫度計(jì)局浸使用，引入了方法誤差。依據(jù)《GB 21456—2008家用電磁灶能效限定值及能源效率等級》和《JJF 1261.3—2010家用電磁灶能源效率標(biāo)識計(jì)量檢測規(guī)則》，測量溫度選用的準(zhǔn)確度為±0.05℃的玻璃水銀溫度計(jì)。目前，國內(nèi)符合要求的水銀溫度計(jì)，只有原一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)。在《JJG 161—2010標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)檢定規(guī)程》頒布實(shí)施后，原有一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)和二等水銀溫度計(jì)統(tǒng)稱為標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)。原一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)用于在恒溫槽內(nèi)，以比較法方式檢定工作用玻璃溫度計(jì)。原一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)屬于全浸式溫度計(jì)，浸沒深度至少在15cm以上，隨著溫度的不斷升高，浸沒深度不斷增加，最深可達(dá)到45cm。這種全浸沒方式的溫度計(jì)受環(huán)境溫度的影響較小，測量準(zhǔn)確度較高，使用見圖2。

圖2　全浸玻璃溫度計(jì)使用示意圖

在電磁灶熱效率的測量過程中，全浸式的水銀溫度計(jì)并未全浸使用。在圖1中，“O”點(diǎn)對應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)鍋蓋上表面位置，也即“玻璃溫度計(jì)檢定規(guī)程中的液面位置”?！癆”點(diǎn)對應(yīng)著一等水銀溫度計(jì)的刻線起始位置，“B”點(diǎn)對應(yīng)著感溫液柱的頂端?！癘B”屬于玻璃溫度計(jì)露出液柱部分，而“OA”部分屬于露出液柱無刻度部分，“AB”部分屬于露出液柱有刻度部分。在上述熱效率測試中，原全浸式一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)變成為局浸式溫度計(jì)，這種局浸式溫度計(jì)在測量不同溫度時，浸沒深度始終不變。由于局浸式溫度計(jì)的露出液柱(浸沒位置到毛細(xì)管內(nèi)感溫液柱頂端)受周圍環(huán)境溫度等因素的影響較大，其測量準(zhǔn)確度要明顯低于全浸式溫度計(jì)。根據(jù)《JJG 130—2011 工作用玻璃體溫度計(jì)》要求，需要使用輔助溫度計(jì)，捆綁在標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)露出液柱部分，讀取標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)露出液柱的平均溫度，對其露出液柱進(jìn)行修正，局浸式溫度計(jì)的使用見圖3。

圖3　局浸玻璃溫度計(jì)使用示意圖

露出液柱長度是以刻度數(shù)計(jì)算。但是在電磁灶熱效率試驗(yàn)中，由于選用水銀溫度計(jì)從標(biāo)準(zhǔn)鍋上表面至最低刻線處(即圖1中的OA部分)有100mm左右是沒有刻度的，如何計(jì)算此段溫度的補(bǔ)償值？由于每一支水銀溫度計(jì)的毛細(xì)管內(nèi)徑是有區(qū)別的，而且是不均勻的。所以，每一支水銀溫度計(jì)OA部分的長度也是不一樣的，即用兩支不同的水銀溫度計(jì)，按照上述熱效率測量方法測量溫差，結(jié)果也會有明顯的不同。

3)玻璃溫度計(jì)讀數(shù)需要專用讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡，使用不方便。

4)根據(jù)國際協(xié)議《水俁公約》，2020年水銀溫度計(jì)即將被淘汰，不宜作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器使用。

3　其它溫度傳感器的測量效果

目前，在大量使用的溫度傳感器還有鉑熱電阻、熱電偶和熱敏電阻等傳感器。相應(yīng)的數(shù)字溫度計(jì)使用的也很廣泛。

由于金屬鉑在氧化性介質(zhì)或高溫環(huán)境中具有較好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，因此，利用鉑制作的鉑熱電阻溫度傳感器有較高的精度，不僅作為工業(yè)上的測溫元件，也作為復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)。特別是近年來市場上出現(xiàn)了大量的厚膜和薄膜鉑熱電阻感溫元件，具有體積很小等特性，經(jīng)校準(zhǔn)在0℃～100℃范圍內(nèi)的短期穩(wěn)定性可以達(dá)到0.05℃，可以滿足電磁灶溫度測量的要求，是比較理想的高精度、高靈敏溫度傳感器。

熱電偶也是溫度測量中常用的測溫元件，根據(jù)其熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表。分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。熱電偶的熱電勢將隨著測量端溫度升高而增長，熱電勢的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電極的長度、直徑無關(guān)。熱電偶本身，也具有體積小、測量滯后小等特點(diǎn)，但是其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性不如鉑熱電阻。短期穩(wěn)定性不能達(dá)到0.05℃。

熱敏電阻是利用其電阻隨溫度變化而變化的特性來測量溫度，根據(jù)其溫度系數(shù)的正負(fù)極性可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，具有體積小、響應(yīng)快(適合于快速測溫)、使用壽命長、價格低等特點(diǎn)。經(jīng)過篩選的質(zhì)量上乘的熱敏電阻可以達(dá)到0.05℃非常理想。但是由于熱敏電阻的阻值過大，一般在幾kΩ以上，量程較短，所以一支熱敏電阻溫度計(jì)無法覆蓋15℃～90℃的范圍，因此，熱敏電阻溫度計(jì)也不適宜在此使用。

為保證測量準(zhǔn)確、操作簡單，采用以薄膜熱電阻做傳感器的數(shù)字溫度計(jì)，取代水銀溫度計(jì)，測量電磁灶的熱效率是可行的，如表1所示。盡管在理論上，電磁灶工作時可能會對數(shù)字溫度計(jì)的測量產(chǎn)生干擾，但實(shí)際測量中，由于僅測量電磁灶啟動前和斷電后的溫度，所以基本可以排除電磁干擾。以數(shù)字溫度計(jì)測量熱效率示意圖，見圖4。

圖4　以數(shù)字溫度計(jì)做標(biāo)準(zhǔn)，測量電磁灶熱效率的示意圖

表1　水銀溫度計(jì)與數(shù)字溫度計(jì)測溫對比

為保證測量準(zhǔn)確度，在測量熱效率前，應(yīng)對數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。在15℃和90℃兩點(diǎn)校準(zhǔn)即可。由于標(biāo)準(zhǔn)鍋內(nèi)溫場不均勻、不穩(wěn)定，數(shù)字溫度計(jì)的響應(yīng)又比較快，所以數(shù)字溫度計(jì)的顯示會出現(xiàn)不斷跳躍、起伏的現(xiàn)象，這并不是數(shù)字溫度計(jì)本身的問題。玻璃溫度計(jì)由于感溫部分較長、熱容量較大，測量的溫度是累計(jì)和平均的效果，所以讀數(shù)一般不出現(xiàn)跳躍、起伏的現(xiàn)象。

4　結(jié)束語

在能效標(biāo)識檢測中，溫度參數(shù)是一個比較重要的影響量。應(yīng)充分考慮被測產(chǎn)品的實(shí)際情況以及各類溫度計(jì)量器具的工作特性，揚(yáng)長避短，才能獲得可靠的數(shù)據(jù)，作出合理的檢測結(jié)論。根據(jù)現(xiàn)有條件和技術(shù)水平，采用薄膜鉑熱電阻做傳感器的數(shù)字溫度計(jì)，測量電磁灶的熱效率，不僅操作簡單，而且合理可行。

[1]張克.溫度測控技術(shù)與應(yīng)用.北京：中國質(zhì)檢出版社，2011

[2]GB 21456—2008家用電磁灶能效限定值及能源效率等級.

[3]JJF 1261.3—2010家用電磁灶能源效率標(biāo)識計(jì)量檢測規(guī)則.北京：中國質(zhì)檢出版社，2010

[4]JJG 130—2011工作用玻璃液體溫度計(jì)檢定規(guī)程.北京：中國質(zhì)檢出版社，2011

[5]JJG 161—2010標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)檢定規(guī)程.北京：中國質(zhì)檢出版社，2010