基于微型镓固定点的精密铂电阻温度计原位校准的研究

王博阳, 曾凡超, 傅承玉, 黄安贻, 孙建平

(1.武汉理工大学 机电工程学院, 湖北 武汉 430070；2. 湖北省计量测试技术研究院, 湖北 武汉 430223； 3. 中国计量科学研究院, 北京 100029)

1 引 言

温标固定点传递技术就是把温度的量值通过标准铂电阻温度计在定义固定点上进行分度后,逐步传递给下一等级温度计[1～6]。当前,国际上温标水平在几个mK,而实际工业应用水平比温标水平差1个，甚至2个数量级[7～9]。其主要原因是：实验室环境稳定,测量设备精度高；而工业现场环境中大多为高温高压高辐射环境,无法拆卸温度计,测量困难。如：在空间气象卫星中的星载温度计的原位校准；在核电站高温高辐射的测量环境下,同样需要温度计具有原位校准功能[10]。

为了解决精密铂电阻温度计的原位校准问题,国际上通行的做法是将微型固定点与温度计传感元件微型化、集成化封装,形成具有自校准功能的温度计。在一个升降温周期内即可对一体化温度计进行原位校准。本文设计了一种具有原位校准功能的精密铂电阻温度计,内部集成微型镓固定点装置,该自校准精密铂电阻温度计可实现在室温环境下的原位校准功能,对工业现场中的无法拆卸的温度计量值溯源具有非常广泛的应用价值。与传统的固定点相比,微型镓固定点相变时对杂质、环境温度和加热温度等影响因素更敏感[11～14],实验对微型镓固定点的相变温坪特性进行实验分析,可以为精密铂电阻温度计的原位校准提供技术支撑。

2 镓固定点灌注

镓金属的纯度是决定温坪复现性和准确度的关键。实验所用镓金属纯度为99.999 99%,微型镓固定点的灌注质量约15.54 g。

灌注过程主要分为部件清洗、灌注和密封3个步骤。清洗介质为无水乙醇(分析纯),清洗过程中,先将固定点坩埚和容器放入超声频率为40 kHz的超声波清洗机进行多次清洗；采用分析天平(精度可达0.01 g)对高纯金属镓精确称重,并放入固定点坩埚中；灌注完毕后,密封固定点坩埚,并在缝隙处涂上密封胶。固定点金属灌注完成后,需要反复熔化凝固多次,直到固定点熔化温坪趋于定值,表明灌注固定点趋于稳定。

3 测试系统与装置

3.1 微型镓固定点容器

集成化的温度计空间狭小,只能装入少量的固定点金属材料,导致温度计测量的相变温坪性能较差。为了得到高精度的相变温坪,需要改进固定点装置以满足温度计的原位校准需求。

为了使微型镓固定点的应用符合精密铂电阻温度计,设计的镓固定点容器结构主要由紫铜均热块、聚四氟乙烯坩埚、均热块盖、聚四氟乙烯温度计阱构成。容器直径为15 mm,高40 mm,重约19.08 g。容器结构设计小巧轻便,便于携带。其结构示意图如图1所示。

图1 固定点容器结构图Fig.1 Diagram of fixed-point container structure

固定点坩埚由聚四氟乙烯材料制成,聚四氟乙烯具有优良的耐热和耐低温特性,且不与坩埚里的金属反应。固定点容器由紫铜材料制成,紫铜导热性能好,温度计阱直接插入高纯金属内部,以保证良好的热接触。温度计浸没深度约为3 cm。

3.2 辅助系统

传统固定点加热系统复杂,通常为了温场梯度良好,采取3段加热的方式,并由温控器控制温度,来获得一个时间很长的温坪,而在现场工业应用中无法采取这种方式加热。镓金属的熔点接近室温,故在室温环境便可复现出镓的熔化温坪。实验为模拟环境温度的变化,对微型镓固定点采用恒温槽升降温的方法,在一个升降温周期内对固定点进行熔化和凝固。测温仪器选用ISOTECH生产的Micro K70测温电桥,该测温仪电阻测量范围0～100 kΩ,电阻比准确度在25～400 Ω时为1.7×10-8。图2为装置系统框图。

图2 装置系统框图Fig.2 System block diagram of the device

4 实验及数据分析

精密铂电阻温度传感元件(编号2020194)在标准镓固定点和水三相点中进行标定,标定结果见表1。

表1中：Rtp表示该精密铂电阻温度计在水三相点温度的电阻值；RGa表示其在镓熔点温度的电阻值；WGa表示其在镓熔点温度与在水三相点温度的电阻值的比值；a11表示其所处第11温区的温度系数。

表1 精密铂电阻温度传感元件标定结果Tab.1 Calibration results of precision platinum resistance temperature

实验将精密铂电阻传感元件和微型镓固定点封装在304不锈钢保护管中,形成一体化温度计。温度计自校准过程如下：将自校准温度计全部插入恒温槽内,设定恒温槽温度为0 ℃并保持15 min,确保温度计中镓固定点完全凝固；将恒温槽温度分别设为34 ℃、35 ℃、36 ℃、37 ℃,用Micro K70测温电桥测量温度计的电阻值,重复实验过程4次。

4.1 相变温坪取值方法

微型固定点的相变温坪曲线往往具有较好的重复性与复现性,但相变材料在相变熔化阶段,铂电阻温度计测量得到的并不是一个恒定值,而是一个缓慢上升的值[15,16]。主要由于紫铜均热块和聚四氟乙烯坩埚存在一定的温度梯度,并且固定点质量少,无法在熔化相变阶段使整个坩埚达到完全理想的恒定温度。

本实验所有曲线在其对应的相变熔化阶段都有一定程度的倾斜,这个斜率会随着设定温度的升高而变化。微型固定点在其熔化相变过程并没有真正的保持恒温,但不同加热温度下的拐点值基本不变。因此拐点取值的准确程度会直接影响温度计的标定精度,实验运用切线相交法计算相变拐点值,即拐点的前后邻近的位置,分别拟合一条直线,如图3所示。图3中Y1代表固定点温坪的持续阶段过程中温坪曲线的拟合函数,Y2代表固定点温坪的结束阶段过程中温坪曲线的拟合函数。直线Y1和Y2的交点Q代表相变拐点,其纵坐标为熔化温坪的电阻值。

图3 熔化温坪值的确定方法Fig.3 A method for determining the value of melting temperature plateau

4.2 相变温坪复现性

为了验证微型镓固定点相变温坪的复现性,实验利用恒温槽使温度计在每次加热前均处于相同的温度,并选择相同的加热温度复现温坪。

设定恒温槽温度34 ℃,进行4次重复测量,测量结果见图4。取4条曲线相变温坪的数据,由温坪拐点处理得到温坪值、20 min稳定性、与标准值的差值和4次数据的平均值和标准偏差值见表2。标准偏差计算公式为

表2 加热温度34 ℃时微型镓固定点相变温坪值Tab.2 The plateau value of miniature gallium fixed-point phase transition at heating temperature of 34 ℃.

图4 微型镓固定点相变温坪复现性曲线Fig.4 Reproducibility curve of miniature gallium fixed-point phase transition temperature plateau

(1)

式中：Xi代表样本值;N代表测量次数;μ代表总体X的均值。

4.3 温坪值与加热温度

改变恒温槽设定温度,测量微型镓固定点的相变温坪持续时间与加热温度的关系,见图5。

图5 不同加热温度对微型镓固定点温坪曲线的影响Fig.5 The effect of different heating temperatures on the temperature flat curve at the fixed-point of miniature gallium

由图5可以看出,加热温度会影响微型镓固定点的相变温坪持续时间,加热温度越高,相变持续时间就会越短,反之亦然。温度计在实际使用过程中通过环境温度的变化可以控制温坪的长短,提高自校准的灵活性。从图5中可以看出加热温度越低,熔坪电阻值越接近该精密铂电阻温度计在标准镓固定点装置测量的标准电阻值113.980 35。实验可以建立加热温度与温坪值之间的关系,通过标准镓标定值与温坪值之间的差异即可实时对某一加热温度下的温度计进行自校准。

5 讨 论

将图5中不同加热温度与温坪持续时间和相变拐点温度值对应关系汇总于表3。通过对图5和表1的实验结果分析,发现在相同的实验条件下,改变加热温度,不仅使微型镓固定点的相变时间发生改变,而且其相变拐点的电阻值也受到了影响,并且加热温度越低,微型镓固定点的相变拐点值也越小,越接近标准值。微型镓固定点的相变拐点值和加热功率之间存在函数关系。

表3 加热温度与温坪持续时间和温坪值关系Tab.3 The relationship between heating temperature and flat temperature duration and flat temperature value

根据表3中加热温度与拐点电阻数值关系,作一次线性拟合,见图6所示。线性拟合因子R2=0.997 8,线性拟合关系为：

Y=0.013 9X+113.573 0

(2)

式中:X为加热温度,Y为相变拐点电阻。

为了验证图6中线性拟合的准确性,取相同加热温度下的拟合拐点值与实际测量值进行对比。由表3数据可知,在加热温度为34 ℃时,相变拐点4次测量平均值为114.045 02 Ω。将X=34代入式,得到此拐点拟合值Y=114.045 6,与测量平均值相差1.5 mK(内插误差)；此外,当实验所设置的加热温度值无限接近于镓熔点29.764 6 ℃,即X=29.764 6,代入式(2)得到Y=113.986 73,与标准值113.980 35 Ω相差16 mK(外推误差)。

图6 加热温度与温坪持续时间或温坪值的关系Fig.6 The relationship between heating temperature and plateau duration or plateau value

6 结 论

基于基准固定点传递技术,介绍了微型镓固定点的设计及灌注,并对其熔化温坪特性作了实验分析。该固定点容器温坪持续时间在34 ℃可达 1.2 h,其中在20 min内稳定性为2.8 mK,复现性为2.3 mK。随着加热温度的降低,相变温坪持续时间增长,温坪值越接近标准值。通过分析实验测量数据可知,微型镓固定点相变稳定、复现性高、稳定性好,其温坪值与加热温度呈强线性关系,线性拟合因子R2为0.997 8。整个复现过程方法简单,固定点容器便于携带,精度高,满足了工业现场精密铂电阻温度计高精度校准的需求,且实验数据和结论可以为微型镓固定点在原位校准方面的后续研究提供参考。对于温坪值和温坪持续时间与加热温度的高精度拟合关系,尚需做进一步的实验验证。