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熱電偶和鉑電阻在試驗包凍結點測試中的比較與選擇
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熱電偶和鉑電阻在試驗包凍結點測試中的比較與選擇

時間:2021-05-21 16:30:50

 [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,並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。SR5壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
一、背景
國內冰箱行業發展過程中,冰箱性能試驗用模擬負載經歷了直接用牛肉、少量進口試驗包、國產試驗包幾個階段。GB/T 8059-2016雖然規定了試驗包的成分及配比,但是對各種成分的偏差範圍未做明確限定。標準中說明a)型試驗包熱學性能(凍結點-1℃)相當於瘦牛肉,b)型試驗包熱學性能(凍 結點-5℃)沒有提出熱學性能相當的自然物質,由於熱學性能的測定較困難,對凍結點的偏差範圍也未做明確限定,所以試驗包製作過程中的成分比例控制與製作工藝隨意性很大,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造成不利影響。b
 
根據多年來形成的慣例,一般凍結點上下偏差0.5℃ 即爲合格。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。
 
基於此背景,本文計劃研製以凍結點溫度爲特性值的試驗包標準樣品,並以凍結點溫度爲關鍵特性參數。如何能夠準確測量出試驗包凍結點溫度,對冰箱性能測試起着關鍵作用。目前冰箱性能測試用一隻熱電偶預埋試驗包內部製成M包,用於監測溫度。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。在衆多的溫度測量裝置中,鉑電阻的精度和穩定性均優於熱電偶,對於需要高精度的溫度測量,一般都採用鉑電阻,因此,鉑電阻被確定爲理想的溫度測量裝置。基於理論分析和實際需要,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爲溫度測量裝置。與熱電偶相比,鉑電阻穩定性更好,精度更高,由於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爲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,便於分析比較。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線徑約爲0.25mm的1級T型熱電偶。根據JB/T 8622-1997《工業鉑熱電阻技術條件及分度表》,鉑電阻劃分爲A、B二個等級,實際常用1/3B、A、B三個精度等級。考慮到實際試驗中常用的鉑電阻,暫時確定在試驗時使用直徑爲4mm長爲40mm的A級Pt100鉑電阻。
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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,滿足要求後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於試驗包的幾何中心處,放入環境溫度爲-24℃的低溫環境中進行凍結點測試。初次測量,熱電偶的測量結果高於鉑電阻測量結果約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複進行試驗,以消除試驗包自身偏差影響,但熱電偶的測量結果仍然高於鉑電阻測量結果約0.5℃。從理論上分析,如果是經過校準的熱電偶和鉑電阻對於測量同一種物
質的溫度,其修正後的結果應該相同,但本試驗結果超出預期。爲了確定問題所在,重新設計一組試驗。將四個試驗包(編號爲A、B、C、D)並排黏在一起,將一支鉑電阻(編號爲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爲35cm(參考JJF1171-2007《溫度巡迴檢測儀校準規範》 中6.6.5條,校準時,將裝入傳感器的玻璃管插入介質中,插入深度不少於300mm)。並在同一試驗包上插入兩隻熱電偶(編號爲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(編號爲A、B、C、D),放 入-24℃的低溫環境中進行凍結點溫度測試。測試結果如表1。由測量結果表1和曲線圖(圖 2)可以看出,在增加了鉑電阻測溫裝置在測量物質中的深度後,鉑將裝好鉑電阻和熱電偶的四個試驗包(編號爲A、B、C、D),放 入-24℃的低溫環境中進行凍結點溫度測試。測試結果如表1。
試驗2凍結點測試結果
由測量結果表1和曲線圖(圖 2)可以看出,在增加了鉑電阻測溫裝置在測量物質中的深度後,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試驗包如圖2。再次放入-24℃的環境中進行測試,測試結果如表2。
試驗1佈置圖
由試驗2測試結果可以看出,鉑電阻的測試結果低於熱電偶的測試結果,且明顯低於試驗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,下降至低於7號熱電偶一定溫度,並與熱電偶溫度保持該溫度差同步下降。至此推斷,直徑爲4mm長爲40mm的鉑電阻,由於感溫裝置尺寸比較大,受環境溫度影響嚴重,不適合用於試驗包凍結點的測試。
 
基於此結果,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。專門定製了三支小尺寸鉑電阻(直徑3mm,長15mm),編號爲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佈置圖見圖3,結果見表3。編號1、2、3爲鉑電阻,編號爲5、 6、7、8、9、10爲熱電偶。
試驗3佈置圖
顯示鉑電阻測試結果略低於熱電偶,但差異並不明顯。爲了確定環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℃的環境中進行凍結點溫度測試,結果如表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。
 試驗3與試驗4鉑電阻測試 結果比較
通過比較可以看出,隨着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,即編號爲1和 4的鉑電阻測試結果比較,如表6。可以看出隨着鉑電阻的尺寸減小,環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,經過多次時,鉑電阻的插入深度不能有效避免環境溫度的影響,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爲適合的。同時在制定《製冷器具試驗包凍結點測試方法》時,也規定採用細絲熱電偶進行試驗包凍結點溫度的測試。
 
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