熊智淳 凌彥萃 陳旭 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

隨著設(shè)備便攜化、小型化的需求日益凸顯，對(duì)柔性小空間的溫度檢測(cè)校準(zhǔn)需求也日益增強(qiáng)[1,2]。在醫(yī)療領(lǐng)域，恒溫金屬浴取代了傳統(tǒng)水浴加熱方式，用于酶制劑反應(yīng)、血清滅活試驗(yàn)、膽固醇檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[3]。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，COD 測(cè)定儀對(duì)化學(xué)需氧量進(jìn)行定量檢測(cè)，具有快速、準(zhǔn)確、可靠的特點(diǎn)[4]。對(duì)于諸如恒溫金屬浴、COD 測(cè)定儀等設(shè)備的溫度校準(zhǔn)，需要將測(cè)溫傳感器緊密貼合于被測(cè)設(shè)備孔內(nèi)，采用傳統(tǒng)熱電偶絲無(wú)法保證與之完全貼合，容易引起測(cè)量誤差?，F(xiàn)有的表面測(cè)溫?zé)犭娕?，僅針對(duì)平面加熱源設(shè)計(jì)，對(duì)于異形曲面也無(wú)法完全貼合，易引起測(cè)量誤差。此外，熱電偶測(cè)溫的基本原理是將兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過(guò)，兩種不同材料的熱連接點(diǎn)為測(cè)溫點(diǎn)，傳統(tǒng)熱電偶絲通常采用纏繞或者焊接的方式將兩種不同材料連接在一起形成熱連接點(diǎn)，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，容易造成焊點(diǎn)脫落、導(dǎo)電不良，從而形成開路，導(dǎo)致接觸不良，影響測(cè)溫準(zhǔn)確度，甚至無(wú)法進(jìn)行測(cè)溫[5]。

項(xiàng)目組前期采用真空卷繞（卷對(duì)卷）磁控等離子技術(shù)，制備T 型柔性薄膜熱電偶，其具有柔性、超薄、高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確度、響應(yīng)速度快、低成本等特點(diǎn)[6]。采用共濺射技術(shù)，將銅、鎳兩種不同金屬材料的陰極靶同時(shí)濺射制備銅鎳合金（康銅）柔性薄膜電極，其與銅柔性薄膜電極的熱連結(jié)區(qū)域采用雙層濺射模式，避免了傳統(tǒng)電焊連接存在的易氧化問(wèn)題，確保了使用過(guò)程中穩(wěn)定可靠，如圖1 所示。經(jīng)校準(zhǔn)，制得的柔性薄膜熱電偶溫度測(cè)量范圍為-50.0 ～150.0 ℃，溫度最大偏差為±0.3 ℃，厚度為0.05 mm，長(zhǎng)度為130 mm。與傳統(tǒng)熱電偶相比，T 型柔性薄膜熱電偶熱連接點(diǎn)厚度為微納米量級(jí)，具有熱容量小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)柔性、小間隙區(qū)域、瞬變溫度的測(cè)溫需求。

圖1 柔性薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)

圖2 為T 型柔性薄膜熱電偶實(shí)物圖，左側(cè)水泥灰色部分為銅鎳合金（康銅）膜，右側(cè)香檳金色部分為銅膜，中間重疊部分為測(cè)溫區(qū)域。根據(jù)使用需求，可以將柔性薄膜熱電偶按照被測(cè)對(duì)象的實(shí)際尺寸進(jìn)行裁剪，左右兩側(cè)預(yù)先鉆孔，用于連接補(bǔ)償導(dǎo)線連接片。

圖2 T 型柔性薄膜熱電偶實(shí)物

本文對(duì)比T 型柔性薄膜熱電偶與傳統(tǒng)熱電偶的響應(yīng)速度，研究T 型柔性薄膜熱電偶的瞬變溫度測(cè)量能力，并進(jìn)一步采用T 型柔性薄膜熱電偶對(duì)恒溫金屬浴進(jìn)行溫度校準(zhǔn)及結(jié)果分析。

1 響應(yīng)速度測(cè)試

相比傳統(tǒng)的熱電偶，T 型柔性薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)厚度為微納米級(jí)，具有典型的二維結(jié)構(gòu)特性，貼合更緊密[7]。迄今為止，對(duì)薄膜熱電偶的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)尚沒有統(tǒng)一的方法、規(guī)范，因此，采用柔性薄膜熱電偶與傳統(tǒng)熱電偶進(jìn)行溫度響應(yīng)速度動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，判斷兩者響應(yīng)速度的快慢。常見的溫度響應(yīng)速度動(dòng)態(tài)性能測(cè)試方法有：滴水法、電加熱定標(biāo)法、可調(diào)Q值脈沖激光法和迅速投擲法等。

滴水法[8]是將水滴滴落到加熱的熱電偶表面，分析其響應(yīng)曲線，判斷動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。由于水滴體積小、比熱容小，很難保證水滴落下與接觸之前的溫度恒定。當(dāng)熱電偶加熱溫度較高時(shí)，水滴直接會(huì)被汽化，影響測(cè)試結(jié)果。電加熱定標(biāo)法[9]通過(guò)瞬時(shí)通電，產(chǎn)生熱脈沖，被測(cè)熱電偶產(chǎn)生溫度響應(yīng)。電加熱定標(biāo)法通電過(guò)程需要大電流，容易造成薄膜熱電偶發(fā)熱過(guò)高而引起內(nèi)應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致膜層脫落。可調(diào)Q值脈沖激光法[10]采用激光脈沖信號(hào)作為熱源，提供瞬間溫變，而對(duì)激光功率的選擇較為苛刻，激光功率過(guò)大，容易造成薄膜層的開裂；功率過(guò)小則無(wú)法消除基底熱容對(duì)薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。迅速投擲法[11]借鑒水滴法原理，是一種簡(jiǎn)單有效獲得溫度階躍變化的方法。將熱電偶從常溫空氣中迅速投擲到恒溫的溫度校準(zhǔn)槽中，在熱電偶進(jìn)入油浴的過(guò)程中，其表面溫度會(huì)迅速升高，并最終達(dá)到穩(wěn)定。通過(guò)溫度數(shù)據(jù)記錄儀采集整個(gè)過(guò)程的溫度變化，并進(jìn)行分析處理。

將T 型柔性薄膜熱電偶與傳統(tǒng)熱電偶絲（T 型）捆綁并連接溫度數(shù)據(jù)記錄儀，設(shè)置調(diào)節(jié)記錄間隔為1 s，并同時(shí)從常溫空氣中投擲入100 ℃的溫度校準(zhǔn)槽中，5 min 后停止數(shù)據(jù)記錄，導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)。

T 型柔性薄膜熱電偶與傳統(tǒng)熱電偶絲溫度響應(yīng)速度如圖3 所示，測(cè)試結(jié)果表明，柔性薄膜熱電偶的響應(yīng)速度快于傳統(tǒng)熱電偶絲。當(dāng)柔性薄膜熱電偶快速投入100 ℃的溫度校準(zhǔn)槽，溫升至80 ℃的過(guò)程中，T 型柔性薄膜熱電偶所處的溫度場(chǎng)發(fā)生急劇改變，其產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)急劇變化，隨著時(shí)間的推移，接近溫度校準(zhǔn)槽的設(shè)定溫度，輸出的熱電動(dòng)勢(shì)增速也逐漸變緩，最終穩(wěn)定在100 ℃左右。而傳統(tǒng)熱電偶絲的響應(yīng)速度略慢于T 型柔性薄膜熱電偶，這是由于傳統(tǒng)熱電偶絲熱連接點(diǎn)近似為單個(gè)或多個(gè)一維結(jié)構(gòu)，熱連接點(diǎn)的貼合程度低于熱電結(jié)為二維結(jié)構(gòu)的柔性薄膜熱電偶。因此，柔性薄膜熱電偶更適合瞬變溫度的測(cè)量，能夠更好地反應(yīng)環(huán)境溫度的瞬間變化。

圖3 熱電偶響應(yīng)速度測(cè)試數(shù)據(jù)

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 測(cè)試方法

用恒溫金屬浴逐漸取代了傳統(tǒng)水浴鍋加熱，用于酶制劑反應(yīng)、血清滅活試驗(yàn)、膽固醇檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，因此，對(duì)其進(jìn)行溫度校準(zhǔn)尤為必要。恒溫金屬浴參照技術(shù)依據(jù)JJF 1101—2019《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度參數(shù)校準(zhǔn)規(guī)范》進(jìn)行溫度偏差、溫度波動(dòng)度、溫度均勻度校準(zhǔn)。所用標(biāo)準(zhǔn)器為T 型柔性薄膜熱電偶、溫度數(shù)據(jù)記錄儀。

測(cè)試開始前，檢查溫度數(shù)據(jù)記錄儀工作是否正常，通電預(yù)熱30 min。

將T 型柔性薄膜熱電偶貼合于被測(cè)恒溫金屬浴的測(cè)試孔內(nèi)，當(dāng)恒溫金屬浴測(cè)試孔數(shù)量小于等于4×4 時(shí)，宜在中心測(cè)試孔位置安置柔性薄膜熱電偶；當(dāng)恒溫金屬浴單邊測(cè)試孔數(shù)量大于4 個(gè)時(shí)，則需要在該側(cè)兩端測(cè)試孔各增加安置一個(gè)柔性薄膜熱電偶；當(dāng)恒溫金屬浴兩邊測(cè)試孔數(shù)量均大于4 個(gè)時(shí)，則需要在四端測(cè)試孔均增加安置一個(gè)柔性薄膜熱電偶。

將T 型柔性薄膜熱電偶與溫度數(shù)據(jù)記錄儀通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線連接，并固定。

設(shè)置數(shù)據(jù)采樣間隔（每2 次采樣的時(shí)間間隔），待被測(cè)恒溫金屬浴達(dá)到設(shè)定溫度30 min 后，開啟數(shù)據(jù)采樣，記錄各T 型柔性薄膜熱電偶溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)每2 min 采集一次，共采集16 次。

記錄完成后，關(guān)閉數(shù)據(jù)采樣，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至本地存儲(chǔ)器或者外接USB 存儲(chǔ)器。

測(cè)試完畢后，先關(guān)閉數(shù)據(jù)采集器電源，然后關(guān)閉被測(cè)設(shè)備電源，待被測(cè)恒溫金屬浴恢復(fù)至室溫后，拆去T 型柔性薄膜熱電偶。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

恒溫金屬浴150 ℃校準(zhǔn)測(cè)試，被測(cè)恒溫金屬浴為3×5 孔，依據(jù)測(cè)試方法，布設(shè)3 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，自上而下分別為A、O、B，如圖4 所示，待恒溫金屬浴升溫至設(shè)定溫度150 ℃后，穩(wěn)定30 min，開始每2 min 記錄一次數(shù)據(jù)，記錄16 次（30 min），數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 恒溫金屬浴測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 恒溫金屬浴測(cè)試布點(diǎn)

2.3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)JJF 1101—2019 計(jì)算得出該恒溫金屬浴的各測(cè)試點(diǎn)平均溫度值、上偏差、下偏差、均勻度、波動(dòng)度，如表2 所示。

表2 恒溫金屬浴測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示，T 型柔性薄膜熱電偶能夠適應(yīng)恒溫金屬浴的溫度校準(zhǔn)，由于T 型柔性薄膜熱電偶的響應(yīng)速度優(yōu)于傳統(tǒng)熱電偶，其更適合于瞬變溫度的測(cè)量，恒溫金屬浴的升溫速率較傳統(tǒng)水浴鍋更快，T 型柔性熱電偶薄膜能夠更好地跟蹤恒溫金屬浴的升溫，對(duì)其升溫溫度測(cè)量更為準(zhǔn)確。而對(duì)于恒溫金屬浴恒溫過(guò)程中的溫度校準(zhǔn)，T 型柔性熱電偶的高響應(yīng)速度，能夠更好地捕捉恒溫金屬浴的細(xì)微溫度變化，得出的溫度波動(dòng)度更為準(zhǔn)確。同時(shí)，T 型柔性薄膜熱電偶能夠更好地貼合于恒溫金屬浴測(cè)試孔內(nèi)，測(cè)量準(zhǔn)確度更高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)比T 型柔性薄膜熱電偶與傳統(tǒng)熱電偶的響應(yīng)速度動(dòng)態(tài)性能，結(jié)果表明，T 型柔性薄膜熱電偶具有更快的響應(yīng)速度。相較于傳統(tǒng)熱電偶的熱接點(diǎn)為單個(gè)或多個(gè)一維結(jié)構(gòu)，T 型柔性薄膜熱電偶采用二維結(jié)構(gòu)，具有更高的穩(wěn)定性和靈敏度，更能適應(yīng)瞬變溫度的測(cè)量。使用T 型柔性薄膜熱電偶對(duì)恒溫金屬浴溫度校準(zhǔn)，該類熱電偶能夠更好地貼合于恒溫金屬浴測(cè)試孔中，測(cè)量準(zhǔn)確度更高。