王博陽, 曾凡超, 傅承玉, 黃安貽, 孫建平

(1.武漢理工大學 機電工程學院, 湖北 武漢 430070；2. 湖北省計量測試技術(shù)研究院, 湖北 武漢 430223； 3. 中國計量科學研究院, 北京 100029)

1 引 言

溫標固定點傳遞技術(shù)就是把溫度的量值通過標準鉑電阻溫度計在定義固定點上進行分度后,逐步傳遞給下一等級溫度計[1～6]。當前,國際上溫標水平在幾個mK,而實際工業(yè)應(yīng)用水平比溫標水平差1個，甚至2個數(shù)量級[7～9]。其主要原因是：實驗室環(huán)境穩(wěn)定,測量設(shè)備精度高；而工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中大多為高溫高壓高輻射環(huán)境,無法拆卸溫度計,測量困難。如：在空間氣象衛(wèi)星中的星載溫度計的原位校準；在核電站高溫高輻射的測量環(huán)境下,同樣需要溫度計具有原位校準功能[10]。

為了解決精密鉑電阻溫度計的原位校準問題,國際上通行的做法是將微型固定點與溫度計傳感元件微型化、集成化封裝,形成具有自校準功能的溫度計。在一個升降溫周期內(nèi)即可對一體化溫度計進行原位校準。本文設(shè)計了一種具有原位校準功能的精密鉑電阻溫度計,內(nèi)部集成微型鎵固定點裝置,該自校準精密鉑電阻溫度計可實現(xiàn)在室溫環(huán)境下的原位校準功能,對工業(yè)現(xiàn)場中的無法拆卸的溫度計量值溯源具有非常廣泛的應(yīng)用價值。與傳統(tǒng)的固定點相比,微型鎵固定點相變時對雜質(zhì)、環(huán)境溫度和加熱溫度等影響因素更敏感[11～14],實驗對微型鎵固定點的相變溫坪特性進行實驗分析,可以為精密鉑電阻溫度計的原位校準提供技術(shù)支撐。

2 鎵固定點灌注

鎵金屬的純度是決定溫坪復現(xiàn)性和準確度的關(guān)鍵。實驗所用鎵金屬純度為99.999 99%,微型鎵固定點的灌注質(zhì)量約15.54 g。

灌注過程主要分為部件清洗、灌注和密封3個步驟。清洗介質(zhì)為無水乙醇(分析純),清洗過程中,先將固定點坩堝和容器放入超聲頻率為40 kHz的超聲波清洗機進行多次清洗；采用分析天平(精度可達0.01 g)對高純金屬鎵精確稱重,并放入固定點坩堝中；灌注完畢后,密封固定點坩堝,并在縫隙處涂上密封膠。固定點金屬灌注完成后,需要反復熔化凝固多次,直到固定點熔化溫坪趨于定值,表明灌注固定點趨于穩(wěn)定。

3 測試系統(tǒng)與裝置

3.1 微型鎵固定點容器

集成化的溫度計空間狹小,只能裝入少量的固定點金屬材料,導致溫度計測量的相變溫坪性能較差。為了得到高精度的相變溫坪,需要改進固定點裝置以滿足溫度計的原位校準需求。

為了使微型鎵固定點的應(yīng)用符合精密鉑電阻溫度計,設(shè)計的鎵固定點容器結(jié)構(gòu)主要由紫銅均熱塊、聚四氟乙烯坩堝、均熱塊蓋、聚四氟乙烯溫度計阱構(gòu)成。容器直徑為15 mm,高40 mm,重約19.08 g。容器結(jié)構(gòu)設(shè)計小巧輕便,便于攜帶。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 固定點容器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of fixed-point container structure

固定點坩堝由聚四氟乙烯材料制成,聚四氟乙烯具有優(yōu)良的耐熱和耐低溫特性,且不與坩堝里的金屬反應(yīng)。固定點容器由紫銅材料制成,紫銅導熱性能好,溫度計阱直接插入高純金屬內(nèi)部,以保證良好的熱接觸。溫度計浸沒深度約為3 cm。

3.2 輔助系統(tǒng)

傳統(tǒng)固定點加熱系統(tǒng)復雜,通常為了溫場梯度良好,采取3段加熱的方式,并由溫控器控制溫度,來獲得一個時間很長的溫坪,而在現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用中無法采取這種方式加熱。鎵金屬的熔點接近室溫,故在室溫環(huán)境便可復現(xiàn)出鎵的熔化溫坪。實驗為模擬環(huán)境溫度的變化,對微型鎵固定點采用恒溫槽升降溫的方法,在一個升降溫周期內(nèi)對固定點進行熔化和凝固。測溫儀器選用ISOTECH生產(chǎn)的Micro K70測溫電橋,該測溫儀電阻測量范圍0～100 kΩ,電阻比準確度在25～400 Ω時為1.7×10-8。圖2為裝置系統(tǒng)框圖。

圖2 裝置系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of the device

4 實驗及數(shù)據(jù)分析

精密鉑電阻溫度傳感元件(編號2020194)在標準鎵固定點和水三相點中進行標定,標定結(jié)果見表1。

表1中：Rtp表示該精密鉑電阻溫度計在水三相點溫度的電阻值；RGa表示其在鎵熔點溫度的電阻值；WGa表示其在鎵熔點溫度與在水三相點溫度的電阻值的比值；a11表示其所處第11溫區(qū)的溫度系數(shù)。

表1 精密鉑電阻溫度傳感元件標定結(jié)果Tab.1 Calibration results of precision platinum resistance temperature

實驗將精密鉑電阻傳感元件和微型鎵固定點封裝在304不銹鋼保護管中,形成一體化溫度計。溫度計自校準過程如下：將自校準溫度計全部插入恒溫槽內(nèi),設(shè)定恒溫槽溫度為0 ℃并保持15 min,確保溫度計中鎵固定點完全凝固；將恒溫槽溫度分別設(shè)為34 ℃、35 ℃、36 ℃、37 ℃,用Micro K70測溫電橋測量溫度計的電阻值,重復實驗過程4次。

4.1 相變溫坪取值方法

微型固定點的相變溫坪曲線往往具有較好的重復性與復現(xiàn)性,但相變材料在相變?nèi)刍A段,鉑電阻溫度計測量得到的并不是一個恒定值,而是一個緩慢上升的值[15,16]。主要由于紫銅均熱塊和聚四氟乙烯坩堝存在一定的溫度梯度,并且固定點質(zhì)量少,無法在熔化相變階段使整個坩堝達到完全理想的恒定溫度。

本實驗所有曲線在其對應(yīng)的相變?nèi)刍A段都有一定程度的傾斜,這個斜率會隨著設(shè)定溫度的升高而變化。微型固定點在其熔化相變過程并沒有真正的保持恒溫,但不同加熱溫度下的拐點值基本不變。因此拐點取值的準確程度會直接影響溫度計的標定精度,實驗運用切線相交法計算相變拐點值,即拐點的前后鄰近的位置,分別擬合一條直線,如圖3所示。圖3中Y1代表固定點溫坪的持續(xù)階段過程中溫坪曲線的擬合函數(shù),Y2代表固定點溫坪的結(jié)束階段過程中溫坪曲線的擬合函數(shù)。直線Y1和Y2的交點Q代表相變拐點,其縱坐標為熔化溫坪的電阻值。

圖3 熔化溫坪值的確定方法Fig.3 A method for determining the value of melting temperature plateau

4.2 相變溫坪復現(xiàn)性

為了驗證微型鎵固定點相變溫坪的復現(xiàn)性,實驗利用恒溫槽使溫度計在每次加熱前均處于相同的溫度,并選擇相同的加熱溫度復現(xiàn)溫坪。

設(shè)定恒溫槽溫度34 ℃,進行4次重復測量,測量結(jié)果見圖4。取4條曲線相變溫坪的數(shù)據(jù),由溫坪拐點處理得到溫坪值、20 min穩(wěn)定性、與標準值的差值和4次數(shù)據(jù)的平均值和標準偏差值見表2。標準偏差計算公式為

表2 加熱溫度34 ℃時微型鎵固定點相變溫坪值Tab.2 The plateau value of miniature gallium fixed-point phase transition at heating temperature of 34 ℃.

圖4 微型鎵固定點相變溫坪復現(xiàn)性曲線Fig.4 Reproducibility curve of miniature gallium fixed-point phase transition temperature plateau

(1)

式中：Xi代表樣本值;N代表測量次數(shù);μ代表總體X的均值。

4.3 溫坪值與加熱溫度

改變恒溫槽設(shè)定溫度,測量微型鎵固定點的相變溫坪持續(xù)時間與加熱溫度的關(guān)系,見圖5。

圖5 不同加熱溫度對微型鎵固定點溫坪曲線的影響Fig.5 The effect of different heating temperatures on the temperature flat curve at the fixed-point of miniature gallium

由圖5可以看出,加熱溫度會影響微型鎵固定點的相變溫坪持續(xù)時間,加熱溫度越高,相變持續(xù)時間就會越短,反之亦然。溫度計在實際使用過程中通過環(huán)境溫度的變化可以控制溫坪的長短,提高自校準的靈活性。從圖5中可以看出加熱溫度越低,熔坪電阻值越接近該精密鉑電阻溫度計在標準鎵固定點裝置測量的標準電阻值113.980 35。實驗可以建立加熱溫度與溫坪值之間的關(guān)系,通過標準鎵標定值與溫坪值之間的差異即可實時對某一加熱溫度下的溫度計進行自校準。

5 討 論

將圖5中不同加熱溫度與溫坪持續(xù)時間和相變拐點溫度值對應(yīng)關(guān)系匯總于表3。通過對圖5和表1的實驗結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)在相同的實驗條件下,改變加熱溫度,不僅使微型鎵固定點的相變時間發(fā)生改變,而且其相變拐點的電阻值也受到了影響,并且加熱溫度越低,微型鎵固定點的相變拐點值也越小,越接近標準值。微型鎵固定點的相變拐點值和加熱功率之間存在函數(shù)關(guān)系。

表3 加熱溫度與溫坪持續(xù)時間和溫坪值關(guān)系Tab.3 The relationship between heating temperature and flat temperature duration and flat temperature value

根據(jù)表3中加熱溫度與拐點電阻數(shù)值關(guān)系,作一次線性擬合,見圖6所示。線性擬合因子R2=0.997 8,線性擬合關(guān)系為：

Y=0.013 9X+113.573 0

(2)

式中:X為加熱溫度,Y為相變拐點電阻。

為了驗證圖6中線性擬合的準確性,取相同加熱溫度下的擬合拐點值與實際測量值進行對比。由表3數(shù)據(jù)可知,在加熱溫度為34 ℃時,相變拐點4次測量平均值為114.045 02 Ω。將X=34代入式,得到此拐點擬合值Y=114.045 6,與測量平均值相差1.5 mK(內(nèi)插誤差)；此外,當實驗所設(shè)置的加熱溫度值無限接近于鎵熔點29.764 6 ℃,即X=29.764 6,代入式(2)得到Y(jié)=113.986 73,與標準值113.980 35 Ω相差16 mK(外推誤差)。

圖6 加熱溫度與溫坪持續(xù)時間或溫坪值的關(guān)系Fig.6 The relationship between heating temperature and plateau duration or plateau value

6 結(jié) 論

基于基準固定點傳遞技術(shù),介紹了微型鎵固定點的設(shè)計及灌注,并對其熔化溫坪特性作了實驗分析。該固定點容器溫坪持續(xù)時間在34 ℃可達 1.2 h,其中在20 min內(nèi)穩(wěn)定性為2.8 mK,復現(xiàn)性為2.3 mK。隨著加熱溫度的降低,相變溫坪持續(xù)時間增長,溫坪值越接近標準值。通過分析實驗測量數(shù)據(jù)可知,微型鎵固定點相變穩(wěn)定、復現(xiàn)性高、穩(wěn)定性好,其溫坪值與加熱溫度呈強線性關(guān)系,線性擬合因子R2為0.997 8。整個復現(xiàn)過程方法簡單,固定點容器便于攜帶,精度高,滿足了工業(yè)現(xiàn)場精密鉑電阻溫度計高精度校準的需求,且實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論可以為微型鎵固定點在原位校準方面的后續(xù)研究提供參考。對于溫坪值和溫坪持續(xù)時間與加熱溫度的高精度擬合關(guān)系,尚需做進一步的實驗驗證。