影响使用干式温度校准炉的不确定度因素

在以往发布的博客文章中，我们讨论了温度校准和校准不确定度。我们这次将介绍使用干式温度校准炉时需要考虑的多个不确定度因素。

使用干式温度校准炉进行温度校准貌似是一件很简单和直接的事情。但是，由于存在许多不确定度，因此应考虑到误差。最显著的不确定度一般产生于校准的过程，而不一定源于不确定度因素的指标

让我们开始加热！

干式温度校准炉的不确定度因素—贝美克斯白皮书

 

目录

什么是干式温度校准炉？

因此，它不是液槽？

EURAMET准则

不确定度因素

内部和外部参考传感器

1.内部参考传感器

2.外部参考传感器

3. 轴向温场均匀性

4.孔间温差

5.负载特性

6.长期稳定性

7. 切勿操之过急

总结

 

什么是“干式温度校准炉”？

让我们首先讨论此文章中“干式温度校准炉”的含义。

干式温度校准炉有时也称为“干井炉”或“干体炉”。

它是一种可以升温或降温到不同温度点的设备，顾名思义，它在干燥状态下使用，不需要任何液体。

干体炉通常带可拆卸的均温块，上面留有插入温度传感器的测温孔。

干体炉一般自带内部测温功能，您也可以将外部参考温度传感器插入均温块的测温孔中使用。

由于干体炉一般有可互换的均温块，因此可能会有多种均温块，每种均温块上有不同大小的测温孔，适合校准不同尺寸的温度传感器。

在干体炉中，温度传感器的测温孔必须足够紧密，确保传感器和均温块之间有良好的热传导，这是非常重要的一点。如果测温孔过大，传感器温度稳定将非常缓慢，或由于径向热传导变低，可能根本就达不到均温块的温度。

通常，您需要在干体炉中插入温度传感器进行校准或校准一个温度回路，其中温度传感器是回路中第一个部件。

干体炉的主要优点包括易于现场操作，并且携带时不会有热液溢出。此外，干体炉不会污染被校准的温度传感器。

在多数情况下，干体炉在干燥的情况下使用。但在极少数情况下，可能会用到一些导热液态介质。通常，使用液体可能会造成干体炉受损。

如果后续在高于液态介质如硅油的燃点温度下使用，可能会存在危害人体安全或火灾隐患。660°C的干体炉中，隔离层吸收了硅油，其外观貌似整洁，但在加热时可能吹出有害烟尘。各地的校准实验室对于这一点应该深有体会。

关于干体炉的缺点，我们可以想到的是精度和稳定性比液槽低，很难校准短支或特殊形状的传感器。

 

因此，它不是“液槽”？

不是液槽，我说的是“干体炉”，难道不是吗……;-)

也有内装液体的恒温槽。加热或冷却液体介质，再将被校准的温度传感器插入液体中。同时搅动液体，从而使液体中的温度能均匀分布。

还可以将干体炉和液槽组合使用，这些设备一般有独立的干体均温块和独立的液体插件。

液槽的主要优点包括温度均匀性和稳定性更好，适合校准短支或特殊形状的传感器。

液槽的缺点是体积较大、重量较重，需要结合液体介质使用，便携性较差，通常比干体炉升降温慢。

但在本篇文章中，我们重点讨论的对象是干体炉，因此让我们继续回到这一话题。

 

EURAMET准则

在继续讨论之前，让我们快速看一下Euramet准则。的确，它与此话题密切相关。

EURAMET是欧洲区域计量组织（RMO），负责协调与欧洲国家计量协会（NMI）之间的合作。更多有关Euramet的信息，请访问https://www.euramet.org/

Euramet还发布了许多适合不同情况的校准规范。

这里我们想提到一种专门为校准干体炉而制定的规范，即EURAMET校准准则No13，Version4.0（09/2017），标题为“干体式温度校准炉”。

之前的3.0版本发布于2015年。第一版于2007年出版。该指导方针之前被称为EA-10/13，所以您可能也会遇到这个名称。

上述规范定义了适合干体炉的常见校准方法。许多厂商会在校准干体炉或指定干体炉参数规格时使用到这个规范。

为了着重介绍最新4.0版本的某些内容，以下列出了这些内容：

量程

校准能力

表征

轴向温场均匀性

孔间温差

负载特性

长期稳定性

热传导

校准

测量

不确定度

报告结果

示例

您可以点击此处免费下载“Euramet规范”pdf文件：

干体式温度校准炉的校准规范

 

不确定度因素

让我们首先从实际不确定度因素切入。在用干体炉校准温度时，这些因素会造成测量结果有误差。

 

内部或外部参考传感器？

有两种测量干体炉真实温度的原理方法。一种原理是使用干体炉内置的内部参考传感器进行内部测量，另一种是将外部参考温度计插入测温孔进行外部测量。

上面两种方法之间存在一些本质的差别，因此它们对于不确定度的影响也大有不同，下面让我们讨论这两种测量方法：

 

1. 内部参考传感器

内部参考传感器永久性安装于干体炉内部，它通常靠近均温块底部，位于可互换均温块周围的金属衬套中。

因此，内部传感器不能直接测量插入均温块的被校准传感器的温度，而是测量位于周围的金属衬套的温度。由于金属衬套和均温块之间存在一定的热阻，因此此类测量方法的精度不是最高的。

特别是当温度发生变化时，金属衬套的温度变化速度一般比均温块的快。如果没有等待足够的稳定时间而进行校准，将会造成误差。

无论如何，内部参考传感器是非常方便的，因为它一直位于干体炉中，因此您不需要在均温块上专门预留一个测温孔。

内部测量的再校准有一定的操作难度，因为需要校准整个干体炉。

内部测量传感器的信号可以通过干体炉的内部测量电路进行测量，并显示在干体炉的显示器上。此类测量通常给定了精度指标。如上所述，此规范只有在稳定条件下才有效，不包括由于校准过快，或被校准传感器没有选择紧密的测温孔插入均温块底部的均温区域而引起的不确定度。

位于不同高度的两个内部参考传感器

左上方的图片展示了内部参考传感器位于于干体炉中的位置以及被校准传感器插入均温块的常规方式。如果被校准传感器的长度足以伸到均温块底部，并且测温孔足够紧，等待稳定的时间足够长，则校准效果良好，误差较小。

在右图中，我们可以看到，当被校准传感器短到无法伸到均温块底部时，在这种情况下，内部参考传感器和被校准传感器的高度不同，测量的温度也不同，这会使校准结果误差变大。

 

2. 外部参考传感器

另一种方法是使用外部参考传感器。具体步骤是将参考传感器插到均温块上尺寸合适的测温孔中，同时在同一均温块上的其他测温孔中插入被校准传感器。

由于外部参考传感器与被校准传感器插入同一金属均温块中，因此可以更精确地测量到被校准传感器所测量的温度。

在理想条件下，参考传感器具有与被校准传感器相似的热特性（相同的尺寸和热传导）。在这种情况下，随着均温块温度发生变化，外部参考传感器和被校准传感器将更精确地从相同温度开始变化。

外部参考传感器自然需要采用合适的方式测量。干体炉通常有内部测量电路，并且可以连接外部参考传感器，您也可以使用外部测量设备。关于不确定度，需要同时考虑参考传感器的不确定度和测量电路的不确定度。

与使用内部参考传感器对比，使用精确的外部参考传感器后，校准更精确，不确定度也较小。因此，如果期望精确度较高（也就是说，不确定度较低），强烈推荐使用外部参考传感器。

外部参考传感器还可以提升可靠性。如果内部和外部传感器显示的读数相差较大，这是向用户发出警告信号，提示可能出现了什么问题，测量结果将不可靠。

对于再校准，当使用外部参考传感器时，再校准参考传感器即可，无需对整个干体炉进行校准。此时自然不需要检查干体炉的功能（当必要时才进行调整），例如轴向温场均匀性。

未校准干体炉时，必须定期自行测量和记录轴向梯度，因为在使用外部参考传感器时，它通常是最大的不确定性因素。否则，严格的审核员可能会对测量结果的可溯源性提出强烈的质疑。

位于不同高度的三对传感器

上图显示了外部参考传感器和DUT（被测设备）传感器同时放置于均温块的方式。第一张图显示了当两个传感器都伸入均温块底部时，获得的最佳校准结果。

第二张图显示了当参考传感器和DUT传感器位于不同深度时发生的情况。这将导致两个传感器之间的温差较大，并导致校准误差变大。

第三张图显示了当DUT传感器长度很短，参考传感器正好位于与DUT传感器同一深度的示例。虽然均温块上部的均匀性不是很好，但是您可以通过这一位置获得最佳的校准结果。

因此，当传感器位于不同的高度时，这将引起额外的误差。使用外部参考传感器的误差一般会小于使用内部参考传感器校准短支传感器的误差。

 

3.轴向温场均匀性

轴向均匀性（或轴向均匀度）是指沿均温块上测温孔的垂直方向温度差。

举个例子，测温孔底部与其稍微高一点的地方的温度可能略微不同。

通常来讲，如果均温块温度与环境温度相差较大，由于温度会扩散到环境中，因此均温块顶部的温度可能不同。

一些温度传感器的实际感温元件有长有短。同样，有些传感器的感温元件比其他传感器更靠近尖端。为了确保各传感器有相同的温度，位于干体炉均温块底部的均温区域应足够长。指定的区域长度一般为40-60 mm。

干体炉应在均温块底部预留足够的区域，确保实现指定的温度均匀性。在校准干体炉过程中，可以使用两个位于不同高度的高精度参考传感器，或使用小尺寸感温元件的传感器，从底部开始逐渐抬升进行校准。此类小尺寸感温元件传感器必须稳定，但不一定需要校准，因为它仅用于测量处于不同高度上的温度差。如果需要的话，轴向温度梯度一般可以在干体炉中进行调节。

如果您有一根短支卫生型温度传感器，并且从各个方向无法伸到均温块的测温孔底部，则情况会变得更复杂了。在这种情况下，不能使用干体炉中的内部参考测量，因为传感器没有伸入到底部。此时应当使用外部参考传感器，所插入的均温区域的中心应与被校准的短支传感器的测量区域中心位于同一深度。

通常，这意味着应使用专用的短支参考传感器，并插入与被校准的短支传感器位于同一深度的位置。如果被校准的短支传感器有带有一个大的法兰，操作将变得更困难，因为它会吸收传感器的温度。

总结—在校准期间，确保参考传感器的插入深度与被校准的传感器相同。如果已知感温元件的长度和位置时，试着让中心水平对齐。如果无法对齐，此时需要重新估算由此造成的误差。如果校准精度要求较高，或者被校准传感器长度不够伸到均温块底部，此时需要换用外部温度传感器。

两张照片显示的轴向温场均匀性

上图说明了“轴向温场均匀性”的含义。干体炉的底部一般有一个温度均匀的区域，但是当被校准传感器抬升至较高点时，它将不再处于同一温度。

 

4. 孔间温差

孔间温差，有时也称为“径向均匀性”，是指均温块上每个测温孔（插孔）之间的温差。虽然均温块材质为金属化合物，并且具有良好的导热性，但在测温孔之间，特别是两个距离最远的测温孔，仍存在非常小的温差。

实际上，当均温块中的两个传感器插入到不同测温孔中时，两者之间的温差可能很小。

导致上述温差的原因可能是均温块更多地接触金属衬套一侧，或均温块上负载不均匀（在一侧上的传感器数量较多，或在一侧上的传感器直径大于另一侧上的传感器直径）。当然，位于不同侧的加热装置和半导体控温元件同样有对应的公差。

实际上，测温孔之间温差非常小。

总结—应考虑测温孔之间温差的指标。

测温孔之间温差—使用干体炉校准温度的不确定度因素。Beamex博客文章。

 

5. 负载特性

如果干体炉的温度与环境温度有差异，总会有一些热量通过传感器扩散到环境中（负载效应）。

如果均温块上安装有多个传感器，更多的温度将“扩散”到环境中。同样，传感器越粗，扩散的温度就越多。

插件与环境温度之间的温差越大，扩散量就越多。

举个例子，如果干体炉处于高温下，这种温度扩散会在负载效应下使得插件冷却。插件顶部损失的温度比底部多，并且顶部温度会变得更低。

插件越深，负载效应越小。另外，一些干体炉有两个或多个加热或冷却区域：一个位于干体炉的底部，一个位于中间，一个位于顶部。这有助于补偿负载效应（比如，顶部加热可以产生更多的热量，从而补偿插件顶部的温度扩散损失）。

如果使用干体炉的内部参考测量，通常会产生更大的误差， 因为内部参考不在插件上，而是在周围金属衬套的底部。因此，内部参考传感器不会很好地感受到这种负载效应。

外部参考传感器可以更好地感受到这种负载效应，因为它位于均温块中，并且温度也会呈现相同的变化。当使用外部参考传感器时，负载效应引起的误差要小得多（与使用内部参考传感器相比），并且结果更好。

总结—检查干体炉在实际应用中的负载效应（有几个传感器，传感器类型是什么），并将它作为一个不确定度因素。

两张关于负载效应的图片

上图显示了传感器将温度扩散到环境中引起的负载效应。在第二张图中，由于插入了多个传感器，因此负载效应导致得扩散量更多。

 

6. 长期稳定性

长期稳定性表示温度在较长时间内保持稳定的程度。温度需要在一定时间内保持稳定，因为不同传感器拥有的热特性不同，而且不同传感器达到稳定所需的时间也不相同。如果温度持续发生上下波动，不同的传感器可能会显示不同的温度值。

如果温度产生些许波动，与使用内部参考传感器相比，使用外部参考传感器将得到精确度更高的结果。

干体炉厂商一般都会给定一个稳定性指标，比如稳定30分钟。

 

7. 切勿操之过急

请牢记一点，即温度传感器仅测量自身的温度。因此，它不会测量安装位置的温度。

此外，温度变化速度极为缓慢，部件各单元稳定到同一温度需要等待一定的时间，即系统达到平衡状态需要一些时间。

如果过快地使用干体炉进行温度校准，这会是引起不确定度的最大因素！

因此，您需要了解系统和被校准传感器，通过实验获得实现充分稳定所需的时间。

特别是当使用内部参考传感器时，它达到预定温度点的速度比均温块上被校准传感器的速度要快得多。这是因为内部传感器位于受加热/冷却的干体炉中，而被校准传感器位于均温块上。过早获取结果可能会引起很大的误差。

当使用外部参考传感器时，稳定性取决于参考传感器与被校准传感器之间的差异。如果它们的直径不同，它们达到稳定所需的时间很可能不同。但是，当没有足够长等待稳定的时间时，使用外部参考传感器要比使用内部参考传感器更精确。

干体炉一般有一个稳定性指示器，但它可能在测量内部参考传感器的稳定性，因此不要仅依赖一个指示器。

总结—简而言之，如果温度校准速度过快，校准结果将非常糟糕。

温度传感器的稳定性— 影响使用干式校准炉校准温度的不确定度因素。贝美克斯博客帖子。

上图显示了一个（夸大后）示例，其中温度设定点开始为10°C，5分钟后，标记处已改为150°C（蓝线表示温度预定点）。

干体炉中有两个传感器—参考传感器和被校准传感器。

我们可以看到传感器1（用红线表示）的变化速度要快得多，并在大约11分钟时达到最终温度。相对而言，传感器2（用绿线表示）的变化速度要慢得多，并且在大约18分钟时达到最终温度。

传感器1是参考传感器，传感器2是被校准传感器。我们可以看到，如果过早在10分钟标记处读取温度，我们得到的结果将产生很大的误差（约85°C）。即使在15分钟标记处获取读数，我们仍会得到约20°C的差值。

因此，我们应确保等待足够长的时间，待到所有传感器均稳定在新的温度时再开始读数。

 

总结

使用干体炉进行温度校准貌似很简单，也是司空见惯之事。但是，由于存在许多不确定度因素，因此应考虑到误差。

最显著的不确定度一般发生在校准过程种，而不一定源于影响不确定度因素的指标。

举个例子，一个精准的干体炉的总不确定度为0.05°C，一个高质量参考传感器的不确定度为0.02°C。但是，当这些设备组合，用于校准温度传感器时，如果使用不当，可能产生几度的不确定度。

这就是我们不爱讨论TAR（测试精度比）的其中一个原因，因为它没有考虑到校准过程所带来的不确定度，而只是采用精度规范。

我们希望本文中列出的这些因素有助于您加深了解可能引起不确定度的几个来源，以及最大程度降低不确定度的方法。