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使用干燥块进行温度校准的不确定度分量

来源:发表时间:2020-05-29

在较早的博客文章中,我讨论了温度校准和校准不确定性。这次,我将介绍当您使用温度干燥模块进行温度校准时应考虑的不同不确定性因素。 


使用干式模块进行温度校准似乎是一件非常简单而直接的事情,但是,有许多可能的不确定性和误差来源应予以考虑。通常,最大的不确定性可能来自于如何进行校准的过程,而不一定来自组件的规格。


让我们打开热量!


目录

什么是干块?

所以,这不是洗澡吗?

EURAMET准则

不确定因素

内部或外部参考传感器

1.内部参考传感器

2.外部参考传感器

3.轴向温度均匀性

4.镗孔之间的温差

5.负载的影响

6.长期稳定

7.不要着急

摘要

 


什么是“干块”?


无论如何,让我们开始讨论本文中“ 温度干燥块 ”的含义。


温度干燥块有时也称为  干井  或  温度校准器。


这是一种可以  加热和/或冷却  至不同温度值的设备,顾名思义,它是干燥使用的,没有任何液体。


干块通常具有可移动的  插入物  (或套筒),该插入物(或套筒)具有用于将温度传感器插入其中的合适的孔/镗孔。


干块通常具有自己的  内部  温度测量值,或者您可以使用 将插入其中一个孔中的  外部参考温度传感器。


通常,干燥块具有可互换的插入件,因此您可能有几个插入件,每个插入件上钻有不同的孔,以适合不同尺寸的温度传感器的校准。


在干燥的模块中,温度传感器的孔必须足够紧,  以确保传感器和插件之间的热阻低,这一点非常重要  。如果钻孔太松,传感器会缓慢稳定,或者由于阀杆传导而可能根本达不到镶刀的温度。


通常,您将在干燥的模块中插入温度传感器以进行校准或校准温度回路,其中温度传感器是回路中的第一个组件。


 干块的  主要优点是易于在野外进行,携带时不会溢出热流体。同样,干块不会污染正在校准的温度传感器。


干块几乎总是用干的。在极少数情况下,您可能会使用一些导热油或糊剂。在大多数情况下,使用液体可能会损坏干燥块。


如果后来在高于例如异物闪点的温度下使用,则使用油或糊剂也可能导致健康和火灾隐患。一块660°C的干燥块,其绝缘材料中吸收了硅油,外面看起来很整洁,但加热时会吹出有害的烟雾。各地的校准实验室可能比他们希望的要熟悉。。。


作为   干块的缺点,我们可以考虑比液体浴低的准确性/稳定性,并且更难于校准非常短和奇形的传感器。


 


那么,这不是“洗澡”吗?

不,我说“干块”,不是……;-)


也有   可用  内部装有液体的恒温槽。液体被加热/冷却,并且将要校准的温度传感器插入液体中。还搅拌液体以使液体中的温度分布均匀。


还有干块和液浴的一些组合,这些装置通常具有分开的干插入物和分开的液体插入物。


 液体浴的主要  好处是更好的温度均匀性,稳定性和适用于短和奇形传感器。


 液体浴的  缺点是尺寸较大,重量较大,与热液体一起使用,便携性较差,并且通常比干燥块慢。


无论如何,在本文中,我们将重点放在温度干燥块上,因此让我们回到它们身上。


不确定因素

让我们进入实际的不确定性组件。当您使用干燥块进行温度校准时,这些会导致测量结果不确定/错误。


 


内部还是外部参考传感器?

有两种测量干块真实(正确)温度的原理方法。一种是使用 内置在干燥块中的内部参考传感器来进行  内部 测量,另一种是使用 插入到刀片镗孔/孔中的  外部参考传感器。


这两种方式之间存在一些根本差异,它们对不确定性的影响也大不相同,因此,让我们接下来讨论这两种选择:


 


1.内部参考传感器

内部基准传感器永久性地插入到干燥块内部的金属块中,该传感器通常靠近块的底部,并且位于围绕可互换插件的金属块中。


因此,此内部传感器不会直接测量要在其中插入要校准的传感器的插件的温度,而是会测量周围模块的温度。由于块和刀片之间始终存在一定的热阻,因此这种测量方法不是最准确的一种。


特别是当温度变化时,块温度通常比插入温度变化快。如果在没有等待足够的稳定时间的情况下进行校准的速度太快,则会导致错误。


内部基准传感器无论如何都非常方便,因为它总是很容易插入到模块中,并且您无需在插件中预留专用孔。


内部测量的重新校准有点困难,因为您需要将整个干燥块送去重新校准。


内部测量传感器的信号自然通过干块中的内部测量电路进行测量,并显示在块的显示屏中。该测量通常具有给定的精度规格。 如前所述,实际上,该规范仅在稳定的条件下有效,并且不包括校准过快或要校准的传感器不在插件底部的校准区域内时引起的不确定性。足够紧的无聊。

 上面的左图显示了内部参考传感器通常如何放置在温度模块中,同时将要校准的传感器插入插入件中。如果要校准的传感器足够长并且到达刀片的底部,则钻孔足够紧,并且我们等待了足够长的时间才能稳定下来,那么可以得到良好的校准而几乎没有误差。


在右侧图片中,我们可以看到如果要校准的传感器太短而无法到达插件底部时会发生什么。在这种情况下,内部参考传感器和要校准的传感器位于不同的高度,并且测量的温度不同,从而对校准结果造成很大的误差。


 


2.外部参考传感器

另一种方法是使用外部参考传感器。这里的想法是,将参考传感器插入插入件中的合适孔中,同时在同一插入件的其他孔中输入要校准的传感器。


由于外部参考传感器与要校准的传感器插入同一金属插件中,因此它可以更精确地测量与要校准的传感器测量的温度相同的温度。


理想情况下,参考传感器将具有与要校准的传感器相似的热特性(相同的尺寸和热导率)。在这种情况下,随着刀片温度的变化,外部参考传感器和要校准的传感器将更精确地跟随相同的温度变化。


自然需要以某种方式测量外部参考传感器。干块通常具有内部测量电路和用于外部参考传感器的连接,或者您可以使用外部测量设备。对于不确定性,您需要考虑参考传感器的不确定性和测量电路的不确定性。


与使用内部参考传感器相比,使用精确的外部参考传感器可实现更准确的校准,并且不确定性较小。因此,强烈建议您要获得较高的准确性(不确定性较小)。


外部参考传感器还提高了可靠性。如果内部和外部传感器读数相差很大,则向用户发出警告信号,表明可能有问题,并且测量结果可能不可信。


对于重新校准,对于外部参考传感器,您可以仅发送参考传感器进行重新校准,而不是整个干燥块。在这种情况下,您自然不会检查(例如在必要时进行调整)干燥块的功能,例如轴向温度均匀性。


如果不发送干燥块进行校准,请确保自己定期测量和记录轴向梯度,因为当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深刻质疑您的测量结果的可追溯性。


 3.轴向温度均匀性

轴向均匀性(或轴向均匀性)是指沿刀片中钻孔的垂直长度的温度差。


例如,与在钻孔中稍高的温度相比,刀片中钻孔的最底部温度可能略有不同。


通常,如果模块的温度与环境温度相差很大,则温度会泄漏到环境中,因此插入件顶部的温度会有所不同。


一些温度传感器的实际测量元素更短一些。同样,有些元素比其他元素更靠近尖端。为了确保不同的传感器处于相同的温度下,模块插入物底部的同质区域应足够长。通常,指定区域为40至60 mm。


干块应在刀片底部有足够的区域,以保证温度均匀性。在模块校准期间,可以通过使用两个不同高度的高精度参考传感器或使用带有短传感元件的传感器进行校准,该传感器从底部逐渐抬高。这种短路检测元件传感器需要稳定,但不一定要进行校准,因为它仅用于测量不同高度的温度差。如果需要,轴向温度梯度通常可以在干燥块中进行调节。


如果您有一个短的(卫生的)温度传感器,但它并没有一直到达插入件中钻孔的底部,那么事情将会变得更加复杂。在这种情况下,干式模块中的内部参考测量无法真正使用,就像在模块底部一样。应该使用外部参考传感器,并且其测量区域的中心应插入与要校准的短传感器的测量区域的中心一样深的位置。


通常,这意味着应使用专用的短路参考传感器,并将其插入与要校准的短路传感器相同的深度。如果要校准的短传感器具有较大的凸缘,将变得更加困难,因为这会吸收传感器的温度。


摘要  -在校准过程中,应确保将参考传感器插入的深度与要校准的传感器相同。如果您知道感应元件的长度和位置,请尝试将中心水平对齐。如果不可能,那么您需要估计由此引起的错误。如果校准的精度要求较高,或者要校准的传感器的长度不足以达到插入孔的底部,则应使用外部温度传感器。


 


轴向温度均匀性两张照片


 


上图说明了“轴向温度均匀性”的含义。通常,干燥块的底部具有指定区域,该区域具有同质温度,但是当您开始将传感器调高以进行更高的校准时,它将不再处于相同的温度。 


 


4.镗孔之间的温差

如标题所示,镗孔之间的温差(有时称为“径向均匀性”)是刀片中每个镗孔(孔)之间的温差。尽管刀片由金属化合物制成并具有良好的导热性,但在镗孔之间,尤其是相对的镗孔之间仍然可能存在很小的差异。


实际上,当插入件中的两个传感器安装在不同的镗孔中时,它们之间的温差可能很小。  


差异可能是由于刀片在一侧更多地接触块或刀片未均匀地加载(一侧上的传感器更多,或一侧上的传感器比另一侧上的传感器厚)。当然,位于不同侧面的加热器和Peltier元件也具有其公差。


实际上,镗孔之间的温差通常较小。


总结  –应当考虑镗孔之间的温差规格。


 


镗孔之间的差异-使用干燥块进行温度校准的不确定度分量。 Beamex博客文章。


 


 


5.负载的影响

 如果模块的温度与环境温度不同,则始终有一些热量通过传感器传导至环境(干传导)。


如果插件中安装了多个传感器,则会有更多的温度“泄漏”到环境中。同样,传感器越厚,泄漏的温度就越大。


嵌件与环境温度之间的温差越大,泄漏量就越大。


例如,如果您的干燥块处于高温状态,则此温度泄漏会由于负载而导致刀片冷却。插入件的顶部将比插入件的底部损失更多的温度,并且顶部变得更冷。


刀片越深,加载效果越小。另外,一些干块具有两个或多个加热/冷却区域:一个在块的底部,一个在中心,一个在块的顶部。这将有助于补偿加载效果(例如,顶部加热器可以加热更多,以补偿刀片的顶部冷却)。


如果使用干燥块的内部参考测量,通常会出现较大的误差,因为内部参考不在插入物中,而是在周围块的底部。因此,内部参考传感器看不到这种加载效果。


外部参考传感器可以更好地看到加载的效果,因为它位于插入件中,并且温度也会有相同的变化。使用外部参考传感器时(与使用内部参考传感器相比),由加载效应引起的误差要小得多,并且结果会更好。


摘要  –检查您的干燥块在您的应用中的加载效果(多少个传感器,哪种类型的传感器),并将其用作不确定性因素。


上图显示了传感器将温度泄漏到环境中引起的阀杆电导。在第二张图片中,插入了多个传感器,因此杆电导/泄漏量更大。


 


 


6.长期稳定

 随时间变化的稳定性描述了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,因为不同的传感器可能具有不同的热特性,并且不同的传感器需要花费不同的时间才能稳定下来。如果温度持续上下波动,则不同的传感器可能会读取不同的温度。


如果温度有一些波动,则与使用内部参考传感器相比,外部参考传感器将无论如何都能获得更准确的结果。


通常,干砌块制造商会给出稳定性规范,例如30分钟。


 


7.不要着急!

 最好记住一个事实,那  就是温度传感器将始终仅测量其自身的温度。因此,它不会测量安装位置的温度,但是会测量自己的温度。


同样,温度变化非常缓慢,并且系统的所有部分都已稳定到相同的温度(即系统已达到平衡)需要一些时间。


如果用干燥块进行温度校准的速度过快,则将是不确定性的最大来源! 


因此,了解您的系统和要校准的传感器并进行实验,以了解足够的时间足以实现稳定。


尤其是如果您使用内部参考传感器,则其到达设定温度的速度比插入物中要校准的传感器要快得多。这是因为内部传感器在加热/冷却的模块中,而要校准的传感器在插件中。过早地获取结果可能会导致很大的错误。


如果是外部参考传感器,对稳定性的要求取决于参考传感器与要校准的传感器之间的差异。如果它们具有不同的直径,则它们很可能具有不同的稳定时间。无论如何,使用外部参考传感器会比内部参考传感器准确得多,以防您没有等待足够长的时间来稳定传感器。


通常,一块干燥的块会带有一个稳定性指示器,但它可能正在测量内部参考传感器的稳定性,因此,不要只相信那一个。


总结  –很快,如果温度校准太快,结果将很糟糕。


 


温度传感器稳定性-使用干燥块进行温度校准的不确定度分量。 Beamex博客文章。


 


上图显示了一个(放大的)示例,其中温度设定点最初为10°C,在5分钟标记处已更改为150°C(蓝线代表设定点)。


干块中有两个传感器-参考传感器和要校准的传感器。


我们可以看到传感器1(红线)的变化快得多,并在大约11分钟的时间点达到最终温度。传感器2(绿线)的变化要慢得多,并且在18分钟左右达到最终温度。


传感器1是我们的参考传感器,传感器2是要校准的传感器。我们可以看到,如果我们在10分钟标记处过早读取温度,我们的结果将产生巨大的误差(约85°C)。即使我们在15分钟标记处读取读数,我们仍然会有20°C的差异。


因此,在读取读数之前,我们应始终确保等待足够长的时间,以确保所有传感器均稳定在新的温度下。


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