一种超长杆铂电阻温度计校准装置

曾佳旭， 潘 江， 雷珍珍， 赵文娟， 赵晓东， 孙建平

(1.中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018；2.贵州省质安交通工程监控检测中心有限公司，贵州 贵阳 550081；3.广西防城港核电有限公司，广西 防城港 538001；4.中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引 言

温度准确测量对于提高核电发电效率、保护环境及安全运行至关重要。核电站运行过程中的温度参数通常使用电阻温度计[1]和热电偶[2]测量。目前，我国商业运营的核电站大多为压水堆核电站，热效率仅为30%～35%[3]。压水堆核电站的第三回路是用来降温的，需要大量的水作为第三回路冷却介质带走废热[4]；温度的准确测量是二、三回路间换热效率提升的关键，对于整机效率提升也不可或缺。此外，核电站生产1 kW·h的电力，会有大约5023.02 kJ的热量被释放[5],这就意味着发电能力为200×104kW的核电站连续工作24 h，排出的废热可以使1×106m3的水温升高5.5 ℃[6]。带走废热的冷却水流入核电站邻近的海洋或河流[7]，随着水温升高，会使河流或海洋中的某些毒物毒性增强，从而导致一些细菌的繁殖，破坏水生生态环境，造成“热污染”[8]。

为了准确测量压水堆核电站冷却水水温，需要定期评估冷却水测量用的铂电阻温度计的性能。我国最新研发的压水堆第三回路为保证足够的冷却水流量，管路内径约3 m。为准确测量冷却水通道横截面平均温度，通常测量温度使用的铂电阻温度计的长度超过3 m，感应元件长度要求接近3 m，有连续和间断的2种，如此长杆铂电阻温度计不能通过通用的铂电阻校准系统进行校准[9～12]。

目前大多数核电站使用的长杆铂电阻温度计为工业B级，根据参考检定规程[13]，本文设计了一种用于核电站的超长杆铂电阻温度计校准装置，要求该实验装置的测温不确定度≤0.1 ℃，通过实验对其进行了性能测试，结果表明实验系统的测量不确定度满足温度计校准的要求。

2 实验系统

根据某核电厂所在地的气候条件，可以确定其冷却水的温度范围为0～40 ℃。用于测量第三回路冷却水的长杆铂电阻温度计属于B级工业铂电阻温度计，直径为6.1 mm，长度大约3.2 m，采用四线法连接。在相关的检定规程[13]中，明确说明了B级工业铂电阻温度计的测温允差，而且对恒温槽的恒温区域提出了技术要求。然而市面上大多数恒温槽深度只有60～70 cm左右，所以这些要求通常适用于校准长度小于60 cm的工业铂温度计，没有考虑到核电站使用的超长杆铂电阻温度计与普通工业铂温度计存在的差异，后者的校准装置显然不适合前者的校准。目前针对这类超长铂电阻温度计的校准，尚未有相应的技术规范文件，为此，本文设计了一个特殊的实验系统用于对超长杆铂电阻温度计进行性能评估。

实验系统由测试装置、低温/加热循环恒温槽、循环管、数字万用表和多路扫描开关组成，系统示意图见图1所示。

1—计算机；2—精密铂电阻温度计；3—保温层；4—循环管；5—恒温槽；6—不锈钢内筒；7—套管支撑板；8—密封法兰；9—多路扫描开关；10—数字万用表图1 长杆铂电阻温度计校准系统示意图Fig.1 Diagram of experimental system

由图1可知，测试装置由内层、保温层和外壳3部分组成。内层为不锈钢圆筒，一端封闭，另一端采用法兰密封，用于插入超长杆铂电阻温度计的4个铜管穿过法兰并插入不锈钢圆筒中，且由圆筒内的4个支撑板支撑；在外壳和内筒之间设置有不锈钢框架，采用2个环氧树脂板支架支撑不锈钢内筒。

内筒与不锈钢外壳之间填充有硅酸铝棉，以此来减少热量损失。在内层圆筒筒壁的上下两端，分别焊接有循环介质(硅油)的进口管和出口管，它们通过循环管与恒温槽(稳定性±0.01 ℃)连接。5个内径为5 mm的封头管沿内层轴向均匀分布，相距最远的两管间的距离与超长杆铂电阻温度计的感温元件长度相等；5个25 Ω短杆精密铂电阻温度计(北京奥维泰生产，中国计量科学研究院中温基准实验室校准，扩展不确定度均为0.005 ℃)分别插入这5个小直径管中用作标准温度计，取其温度平均值作为测试装置的温度。根据前期的不确定度计算，选择Keithley 2010 7高性能数字万用表作为数据采集器，来测量温度计的电阻，并采用一个多路扫描装置作为扫描开关进行不同温度计的切换，数字万用表和多路扫描开关均通过Rs232串口通讯电缆连接到计算机。实验系统见图2所示。

实验时，将测试装置安装在1个水平方向呈2°的支架上，且在超长杆铂电阻温度计和铜套管之间填充少量硅油，以减小传热阻力。为了提高数据采集效率，结合该实验系统，设计了基于C#的数据采集和分析系统。通过该软件可以实时读取、显示数据、实时绘制数据曲线图，并判断恒温域温度的稳定性。

图2 实验系统图Fig.2 Experimental system diagram

3 实验及数据分析

对于恒温装置来说，均匀性和稳定性至关重要，本文对实验系统的均匀性和稳定性进行了考核。

实验系统的均匀性分为水平均匀性和垂直均匀性两部分，水平均匀性是沿着测试装置的轴向温差而垂直均匀性则是垂直于测试装置的轴平面上的温差。

水平均匀性的测试在室温24 ℃下进行，测量温度范围在-10～100 ℃内的5根精密铂电阻温度计读数的偏差。

实验过程中，先开启循环恒温槽，对测试装置内的恒温介质进行加热，约80 min后，测试装置的温度接近稳定。多次的实验结果表明，一旦测试装置的温度开始稳定，可以一直持续几个小时，这足以用于超长杆铂电阻温度计的校准。当5个精密铂电阻的测量数据偏差在±0.015 ℃以内时，认为测试装置内恒温介质的温度达到了稳定状态，开始采集数据。在不同的温度下，硅油具有不同的粘度，所以循环恒温槽的泵速也会产生变化，在-10～0 ℃时，泵速为22 L/min；在40～85 ℃时为26 L/min。以5个精密铂电阻温度计读数的平均值作为测试的最终数据，结果如表1所示。

表1 测试装置的水平温度数据Tab.1 Horizontal temperature data in the test device ℃

根据表1中的数据，可以得到不同温度点和测试装置内水平温度偏差ΔT的关系，见图3所示。

图3 测试装置内水平温度偏差ΔT与温度的关系Fig.3 Distribution of ΔT at different temperatures

由表1可知，精密铂电阻温度计读数的偏差ΔT基本沿测试装置轴向均匀分布。由图3可以看出，温度偏差随着测试装置温度与室温的偏差升高而变化。通过表1和图3可以得出，测试装置在0～40 ℃范围内的水平均匀性在0.029～0.049 ℃之间变化，所测值均小于0.05 ℃；85 ℃之后的温差数据普遍偏大，与之前的数据相比有较为明显的不同。由此可以得出结论，当测试装置的温度越接近环境温度，测试装置与环境的换热量就越小，测试装置内的温度受环境的影响也就越小，水平均匀性越好。

在测量垂直均匀性时，采用超长杆铂电阻温度计进行测量，见图4。将3个超长杆铂电阻温度计(A，B和C)插入3个铜管中；当温度稳定时，按图5所示的顺序依次改变3个超长杆铂电阻温度计的位置；根据每根温度计在不同位置处的读数偏差来获得测试温度在0 ℃和40 ℃时的垂直均匀性。

图4 铂电阻铜套管位置分布图Fig.4 Position distributions of the copper sleeves

图5 温度计位置变更顺序Fig.5 Position changing order of PRTs

根据0 ℃和40 ℃下不同位置的垂直均匀性实验结果，可以得到超长杆铂电阻温度计A、B和C在0 ℃和40 ℃时不同位置的读数偏差，如图6所示，且根据图6的2幅图，可以算出测试装置分别在0 ℃和40 ℃时的垂直均匀性，结果见表2所示。

表2 0 ℃和40 ℃测试装置的垂直均匀性Tab.2 Uniformity along the cross section of test device ℃

图6 不同位置的温差图Fig.6 Temperature difference at different positions

根据计算可以得出，在0 ℃时垂直均匀性的平均值为0.008 ℃，在40 ℃时为0.017 ℃，两者均小于0.02 ℃。根据JJG 229-2010检定规程[13]，校准装置恒温介质的轴向均匀性要小于0.02 ℃，垂直于轴的均匀性要小于0.01 ℃；但这些要求是只考虑了校准普通的工业铂电阻温度计时的需求，一般工业铂电阻温度计感温元件通常短于10 cm，而超长杆铂电阻温度计的传感元件长度超过2.5 m，有些甚至达到3 m；所以将这些规定应用于超长杆铂电阻温度计的相应系统显然是不合理的。

对于这些特殊的长杆铂电阻温度计，其传感元件通常是1根铂丝传感器或3个独立传感器的组合,在实际使用过程中，这些温度计被插入温度套管中进行测量。为了准确评估超长杆铂电阻温度计的性能，实验条件应尽可能接近其工作条件，同时为了减少测量系统带来的额外不确定性，测量系统的不确定度应小于被测对象允差的1/3。出于此原因，我们认为本文中的实验系统比普通标准校准系统更适用于超长杆铂电阻温度计性能的评估。

4 不确定度分析

该装置校准的不确定度来源主要有：测试装置的稳定性和均匀性,精密铂电阻温度计的不确定性,数字万用表Keithley 2010的测量不确定度,以及多路扫描开关引入的不确定性。根据多路扫描开关的说明书，开关系统的寄生电势小于0.4 μV，与其他项目相比仅为微量，所以多路扫描开关引入的不确定度可以忽略，重点考虑对测量结果不确定度影响较大的其他几项。

(2)u2为水平方向的不确定度，它是由测试装置内恒温域水平方向温差引起的。根据表1中的数据，在40 ℃时，测试装置的水平温差为0.036 ℃，采用均匀分布，标准不确定度为0.010 3 ℃。

(3)u3为垂直方向的不确定度，它是由测试装置内恒温域截面温差引起的。根据表2中的数据，测试装置的垂直温度均匀性取A、B和C测量结果中的最大值。

(4)u4为Keithley 2010数字万用表产生的不确定度。在用数字万用表测量精密铂电阻温度计的阻值时，其测量误差可根据数字万用表使用说明书得到：允许误差为±(100×10-6×读数+10×10-6×量程)。而精密铂电阻温度计为Pt25，所以测量时应该选取量程为100 Ω的档，因此在40 ℃时，允许误差约为0.010 3 ℃，采用均匀分布，得出Keithley 2010的测量不确定度为0.005 9 ℃。

(5)u5为精密铂电阻温度计产生的不确定度。该5根精密铂电阻温度计使用前在中国计量科学研究院进行了校准，校准结果见表3所示。由校准结果可知，5根精密铂电阻温度计的扩展不确定度均为0.005 ℃，其标准不确定度为0.002 5 ℃，自热效应导致的不确定度取5根精密铂电阻温度计中最大值0.001 1 ℃，将精密铂电阻温度计引入的不确定度粗略地视为其标准不确定度与自热效应引入的不确定度之和，即0.003 6 ℃。

表3 精密铂电阻温度计的校准结果Tab.3 Calibration result for five short precision platinum resistance thermometers

以上不确定度的分析均是采用B类不确定度评估方法，表4列出了40 ℃的测量不确定度的估算表。

表4 标准不确定度估算Tab.4 Summary of standard uncertainty ℃

由表4可以看出，温度稳定性和水平温度均匀性是实验系统不确定性的主要原因。为了更好地比较4个不同的超长杆铂电阻温度计的性能，在后续研究中，可以考虑增强测试装置内流动的湍流强度，进一步降低垂直均匀性。

根据不确定度评定结果，实验系统的扩展不确定度仅为0.032 ℃，不到0.1 ℃的1/3。因此，当实验系统用于超长杆铂电阻温度计的性能评估时，由该系统引入的不确定度可以忽略不计。

5 结 论

在压水堆核电站中，第三回路冷却水的温度用特殊的超长杆铂电阻温度计进行测量，为了准确评估这些特殊温度计的性能，本文设计了用于校准长杆铂电阻温度计的实验系统。在该系统中，水平放置待评估的温度计且使用循环恒温流体来保持测试装置的温度恒定，通过实验，得出在0～40 ℃的范围内，该实验系统的温度稳定性优于±0.015 ℃，水平和垂直温度均匀性分别优于0.05 ℃和0.02 ℃，测量标准不确定度为0.016 ℃，扩展不确定度为0.032 ℃，由此表明，该系统可以有效地评估超长杆铂电阻温度计。