熱電偶和鉑電阻在試驗包凍結點測試中的比較與選擇

[摘要] 本文針對冰箱性能測試用試驗包的凍結點測試中使用的熱電偶和鉑電阻進行了大量的比較試驗，并結合其特性進行了詳細的比較分析，非常終確定選擇熱電偶進行凍結點測試是合適的。

一、背景

國內冰箱行業(yè)發(fā)展過程中，冰箱性能試驗用模擬負載經(jīng)歷了直接用牛肉、少量進口試驗包、國產試驗包幾個階段。GB/T 8059-2016雖然規(guī)定了試驗包的成分及配比，但是對各種成分的偏差范圍未做明確限定。標準中說明a）型試驗包熱學性能（凍結點-1℃）相當于瘦牛肉，b）型試驗包熱學性能（凍 結點-5℃）沒有提出熱學性能相當?shù)淖匀晃镔|，由于熱學性能的測定較困難，對凍結點的偏差范圍也未做明確限定，所以試驗包制作過程中的成分比例控制與制作工藝隨意性很大，由此造成試驗包的熱學性能偏差較大，使得冰箱性能測試的準確性差、一致性差，對冰箱生產的品質控制及產品開發(fā)造成不利影響。

根據(jù)多年來形成的慣例，一般凍結點上下偏差0.5℃ 即為合格。事實上凍結點上偏差0.5℃，試驗中就會減少全部試驗包降低0.5℃所需要的冷量，減少降溫所需要的時間。同理，凍結點下偏差0.5℃，就會增加試驗中的冷量，增加降溫時間。所以使用凍結點偏差較大的試驗包進行檢測，對檢測結果的影響也是明顯的。

基于此背景，本文計劃研制以凍結點溫度為特性值的試驗包標準樣品，并以凍結點溫度為關鍵特性參數(shù)。如何能夠準確測量出試驗包凍結點溫度，對冰箱性能測試起著關鍵作用。目前冰箱性能測試用一只熱電偶預埋試驗包內部制成M包，用于監(jiān)測溫度。但即使是非常高精度的熱電偶也有0.5℃偏差，因此，使用熱電偶對試驗包凍結點進行測量，理論上無法滿足較高的精度要求。在眾多的溫度測量裝置中，鉑電阻的精度和穩(wěn)定性均優(yōu)于熱電偶，對于需要高精度的溫度測量，一般都采用鉑電阻，因此，鉑電阻被確定為理想的溫度測量裝置?；诶碚摲治龊蛯嶋H需要，在試驗包凍結點測試方法的研究中，確定使用鉑電阻和熱電偶進行比較分析測量。

二、熱電偶與鉑電阻的特性分析及確定

在電氣領域的檢測中，常用的測溫裝置有熱電偶和鉑電阻。熱電偶是電氣領域中溫升試驗常用測溫裝置，同時標準GB/T 8059-2016中描述的M包，也指出使用熱電偶等作為溫度測量裝置。與熱電偶相比，鉑電阻穩(wěn)定性更好，精度更高，由于試驗包凍結點溫度要求的偏差較小，在試驗非常初鉑電阻被認為是測量試驗包凍結點溫度的理想測溫裝置。非常終確定在進行凍結點測試試驗時使用熱電偶和鉑電阻兩種測溫裝置，便于分析比較。GB/T 16839.1-2018表12中給出了熱電偶允差，參考G B 4706.1-2005第11章中的11.3條中提到，溫升由細絲熱電偶確定，同時注1中指出，細絲熱電偶是指線徑不超過0.3mm的熱電偶。因此，非常終確定使用AWG30線徑約為0.25mm的1級T型熱電偶。根據(jù)JB/T 8622-1997《工業(yè)鉑熱電阻技術條件及分度表》，鉑電阻劃分為A、B二個等級，實際常用1/3B、A、B三個精度等級?？紤]到實際試驗中常用的鉑電阻，暫時確定在試驗時使用直徑為4mm長為40mm的A級Pt100鉑電阻。

三、試驗方案設計

使用-1℃的低溫槽對熱電偶和鉑電阻進行校準，滿足要求后將熱電偶和鉑電阻分別插入同一批次的兩個試驗包中。使兩種測溫裝置的頂部位于試驗包的幾何中心處，放入環(huán)境溫度為-24℃的低溫環(huán)境中進行凍結點測試。初次測量，熱電偶的測量結果高于鉑電阻測量結果約0.5℃，與預期結果偏差較大。初步分析，可能是試驗包自身偏差導致，因此再次使用相同的熱電偶和鉑電阻，插入同一個試驗包的幾何中心處重復進行試驗，以消除試驗包自身偏差影響，但熱電偶的測量結果仍然高于鉑電阻測量結果約0.5℃。從理論上分析，如果是經(jīng)過校準的熱電偶和鉑電阻對于測量同一種物質的溫度，其修正后的結果應該相同，但本試驗結果超出預期。為了確定問題所在，重新設計一組試驗。將四個試驗包(編號為A、B、C、D)并排黏在一起，將一支鉑電阻（編號為4）從D試驗的外側面的中心插入至A試驗包的幾何中心處，使鉑電阻在試驗包內的長度約為35cm（參考JJF1171-2007《溫度巡回檢測儀校準規(guī)范》 中6.6.5條，校準時，將裝入傳感器的玻璃管插入介質中，插入深度不少于300mm）。并在同一試驗包上插入兩只熱電偶（編號為7和8）如 圖1進行對比。

將裝好鉑電阻和熱電偶的四個試驗包(編號為A、B、C、D)，放 入-24℃的低溫環(huán)境中進行凍結點溫度測試。測試結果如表1。

表1 試驗1凍結點測試結果

由測量結果表1可以看出，在增加了鉑電阻測溫裝置在測量物質中的深度后，鉑電阻與熱電偶的測量結果基本一致。

在試驗1的基礎上，去掉B、 C、D試驗包。再次放入-24℃的環(huán)境中進行測試，測試結果如表2。

表2 試驗2凍結點測試結果

由試驗2測試結果可以看出，鉑電阻的測試結果低于熱電偶的測試結果，且明顯低于試驗1的鉑電阻-5.33℃的測試結果。同時與本文開頭提到初次測量時鉑電阻與熱電偶的試驗結果相差約0.5℃的情況基本吻合。實際測試中，在按照圖1試驗時，可觀察到鉑電阻與7號熱電偶溫度顯示基本一致；在試驗2中，試驗開始時的一段時間內，鉑電阻溫度加速下降，下降至低于7號熱電偶一定溫度，并與熱電偶溫度保持該溫度差同步下降。至此推斷，直徑為4mm長為40mm的鉑電阻，由于感溫裝置尺寸比較大，受環(huán)境溫度影響嚴重，不適合用于試驗包凍結點的測試。

基于此結果，考慮使用較小尺寸的鉑電阻進行凍結點溫度的測量是否可行。專門定制了三支小尺寸鉑電阻（直徑3mm，長15mm），編號為1、2、3。把鉑電阻和熱電偶插入同一個試驗包的幾何中心處進行凍結點測試試驗，試驗3布置圖見圖3，結果見表3。編號1、2、3為鉑電阻，編號為5、 6、7、8、9、10為熱電偶。

表3 試驗3鉑電阻測試結果

 顯示鉑電阻測試結果略低于熱電偶，但差異并不明顯。為了確定環(huán)境對小尺寸的鉑電阻是否同樣存在影響，避免不同測溫裝置之間差異的影響，進一步進行試驗4，比較鉑電阻的測試結果。

在圖3的基礎上，按照圖4相應增加試驗包的數(shù)量，使鉑電阻深入試驗包的深度依次遞減。將圖4的所有試驗包放入-24℃的環(huán)境中進行凍結點溫度測試，結果如表4。

表4 試驗4鉑電阻測試結果

將試驗3和試驗4的鉑電阻測試結果進行比較，如表5

表5 試驗3與試驗4鉑電阻測試結果比較

通過比較可以看出，隨著鉑電阻的插入深度的減小，凍結點溫度的測量差值越來越小，再次證明環(huán)境溫度對小尺寸的鉑電阻仍然存在影響。

另外，通過對不同尺寸鉑電阻的試驗結果進行對比，可以看出隨著鉑電阻的尺寸減小，環(huán)境溫度對鉑電阻測量值的影響大大降低，但仍不能完全避免。

四、總結

通過上述試驗方案，經(jīng)過多次時，鉑電阻的插入深度不能有效避免環(huán)境溫度的影響，導致測量值偏離實際值。

綜上，在進行試驗包凍結點測試時，使用熱電偶進行測量是更為適合的。同時在制定《制冷器具試驗包凍結點測試方法》時，也規(guī)定采用細絲熱電偶進行試驗包凍結點溫度的測試。