提高
温度校准实验室的生产力
Jeffrey S. Willey
Hart Scientific
Pleasant Grove, Utah
作者简介
Jeffrey S. Willey涉足计量领域是在1980年完成的“Air Force Precision Measurement Course(PMEL)”(美国空军精密测量教程),并作为一名35H10校准专家服役了4年。他曾经是洛克希德电子仪器公司(Lockheed Electronics)的计量工程分析师、Martin Marietta Aerospace(马丁玛丽埃塔航空航天)公司的I & E技师,以及加拿大Guildline仪器(Guildline Instruments)测量应用专家,现就职于美国(Hart Scientific)公司,是一名校准应用专家,负责所有温度基标准设备和其他相关测试设备的国际销售和市场。
摘要
本文紧密结合当今的校准实践,以简单易懂的形式介绍了
温度测量。本文可以帮助不同层次的读者确定什么样的设备最适合其测量需求,及其优点和缺点。本文将有助于读者理解在使用
电阻温度传感器(RTD)进行温度测量方面的常见错误,并有助于充分理解在实验室环境下往往含糊不清的定义和术语。
本文的目的是以通俗易懂的方式提供足够的信息,使读者负责任、充满信心地做出决定,并直接影响到实验室的工作效率。
概述
在测量领域,没有专业经验或仅有很少经验的人员往往被安排到校准实验室的某个岗位。在过去,相对于直流和低频、交流电压、电阻、RF和微波、时间和频率等等,人们很少关心温度测量或往往认为它是不太重要的。随着时间的推移,由于温度对这些测量学科的影响,以及许多国家对温度要求的日益严格,温度已经变得极其重要。
对于刚开始熟悉温度测量的人员来说,这一测量过程有太多的方面需要理解。对于经过计量培训的人员来说,面对一个新的学科,首要面临的障碍就是理解其溯源性。溯源性是一个不间断的校准标准链,可以追溯至国家标准或物理常量。在理解了溯源链以及与之相关的不确定度之后,测量学科就不再神秘,温度的起源也就是显而易见的了。
以下的信息适用于涉及到以下问题的人员:首次接触温度测量;进行可溯源、无误差地校准;确定使用以及将来应该购买什么样的标准;建立最经济、最高效的温度实验室。
理解温度测量
如何测量温度?测量的准确度如何?需要什么样的温度范围?哪种类型的设备最适合测量温度?我的仪器是否需要检定?当需要测量温度时,会面临许多常见的问题。有各种各样的测量装置可用来测量温度:电阻温度传感器(RTD)、
标准铂电阻温度计(SPRT)、
铂电阻温度计(PRT)、热敏电阻、热电偶(TC)以及玻璃管温度计。以下仅以电阻式装置来介绍温度测量。
温度和电阻
RTD的电阻尽管不是完全线性的,但具有很强的可重复性(请参见图1)。因此,就必须预先知道传感器在其温度范围内任意给定点时的电阻值。注意,对于热敏电阻型的器件,电阻随温度上升而增大,反之亦然。这两种情况都有其优势。
图 1. RTD和热敏电阻的“电阻-温度”曲线
温标
为了确定电阻变化时的温度,可以使用不同的温标。对于RTD,可以使用IPTS-68、ITS-90或 Calender-Van Dusen进行转换;对于热敏电阻,建议使用多项式函数进行转换。
ITS-90温标是用于RTD测量的最常用转换方法。ITS-90温标包括了几个子范围,用户可以选择最适合的子范围来进行
温度转换。这些子范围是基于固定点的,也就是已知的温度点,这些温度点都是已知的物理常量。最常见的固定点就是水三相点(TPW)(请参见图2)。0.01°C是所有固定点中代价最小的一个,通常被用于假设RTD的电阻值还没有由于任何滥用造成漂移。(为了更好的理解ITS-90温标,请参阅NIST的第1265号出版物。)
实验室
温度标准所有提供温度校准服务的实验室都必须根据所进行的校准级别维护各种标准。对于基级校准,需要几个固定点、电阻桥和多个SPRT。对于较低级别的校准实验室,为了将已知的SPRT和未知的传感器进行比对校准,需要非常稳定的液体槽或源。
基级实验室提供的不确定度为0.001°C或更好,通常具有利用电阻桥和固定点容器校准SPRT本身的能力。其能力由电阻桥的准确度以及能够覆盖ITS-90温标子范围的固定点数量决定。(请参见图3。)
图 2. Dewar冰炉中的水三相点
二级实验室提供的不确定度为0.001°C或更好,通常将其SPRT送到基级实验室进行校准。校准是通过比对完成的,将经过校准的SPRT与未知的传感器进行比对,通常采用非常稳定的液体槽。为了满足ITS-90的要求,需要使用几个液体槽来覆盖适当的温度子范围,并使实验室高效地运转。二级实验室还需要使用读出装置来读取SPRT和被测单元(UUT)的读数。在计算不确定度时,需要综合考虑SPRT和UUT的读出装置、标准电阻器(如果使用的话)以及恒温槽和SPRT的稳定度和不确定度。如果可能的话,所有的传感器都同时使用相同的读出装置则更为理想。(请参见图4。)
图 3. 固定点校准示意图
温度溯源性
电阻
温度是电阻的一个结果。为了维持电阻的可溯源性,需要许多的标准电阻。直流电阻是绕线式、填充油的装置,通常维护在25°C下的液槽内,可在基级实验室方便地进行检定。交流“Wilkins”型电阻也在25°C的液体槽中进行维护,但是需要具有可溯源交流电阻的实验室进行校准。对于温度校准实验室,建议采用一组0.1Ω~10KΩ的电阻。
图 4. 比对校准示意图
固定点
ITS-90温标的固定点包括各种不同的物理常量,这些定点在特定平衡状态下的温度是已知的。最常见的固定点是水三相点(0.01°C)。当同时存在三种状态:气体、液体和固体时,即达到了三相点。ITS-90温标中常见的其它固定点包括锌凝固点(419.527°C)和镓熔点(29.7646°C) (请参见图5)。
电阻桥
标准电阻的相互比对以及以优于0.001°C的准确度测量SPRT,都需要电阻桥。不确定度可自动达到0.1 ppm,并可由交流或直流测量确定。通常情况下,相对于已知的标准测量未知的电阻,显示为一个比值,然后以数学方法转换为一个温度值或新的电阻值。
图 5. ITS-90温标的常见固定点
标准铂电阻温度计
标准铂电阻温度计(SPRT)是在相当大的温度范围内直接测量温度的非常好的方法。在校准时,针对相应的温度转换范围提供探头常数,并生成“电阻-温度”表。当采用电阻桥进行测量时,则可以直接转换电阻读数。数字式温度计和读出装置通常可以输入探头常数并直接显示温度。所设计的SPRT电阻值为0.25、2.5、25和100Ω。电阻值越小,温度范围越高,可以避免4线测量时通过任何测试线泄漏电流。有石英或不锈钢套管的SPRT可供使用(请参见图6)。
图 6. 保护盒中的石英管SPRT
温度计显示
有很多不同的读出装置可用来确定温度,最常见的有数字伏特表或数字温度计。测量电流可以是交流或直流,其优、缺点与电阻桥相同。伏特表提供有一个电流源,该电流源通常是不能变化的。根据测量电阻来确定探头常数,必须手动计算误差。数字温度计具有各种功能和优势。常见的功能包括直接以C、K或F为单位读取温度值、可以采用IPTS-68、ITS-90温标或Calendar-Van Dusen等式转换为温度。
评估需求
也许您面临组建一个温度校准实验室的任务,或者是要求提高实验室的效率,或者是您被调到了在该领域没有经验或技术的温度实验室。
第一步首先是熟悉温度测量。有许多出版物都可提供丰富的信息,例如常见的温度产品制造商的目录、NIST技术文章和NCSL的技术资料。
要求
温度范围——可能是温度校准领域最重要的问题。确定了什么样的温度范围对自己的工作最为重要,就可确定需要什么样的设备、人员,并且最终确定费用!调查需要校准的产品或产品组