使用干块进行温度校准的不确定度分量

在之前的一些博客文章中，我讨论过温度校准和校准不确定度。这一次，我将介绍使用温度干燥块进行温度校准时应考虑的不同不确定度成分。

使用干块进行温度校准似乎是一件非常简单和直接的事情，但是有许多可能的不确定性和误差来源应该被考虑在内。通常，最大的不确定性可能来自如何进行校准的程序，而不一定来自组件的规格。

我们把暖气打开吧!

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目录

• 什么是干块?
• 所以，这不是洗澡?
• EURAMET指南
• 不确定性的组件
  • 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.荷载影响
  • 6.长期稳定性
  • 7.不要着急
• 总结

什么是“干块”?

不管怎样，我们先来讨论一下我所说的"温度干块文章中写道。

温度干燥块有时也称为温度干燥块排水井或者一个温度校准器．

这是一个可以成为的装置加热和/或冷却不同的温度值，正如名字所暗示的，它是干燥使用的，没有任何液体。

一个干块通常有一个可移动的插入(或套管)，具有合适的孔/镗孔，用于插入温度传感器。

干块通常有自己的内部测量对于温度，你也可以用外部参考温度传感器你要把它插进其中一个洞里。

通常，干块具有可互换的插入件，因此您可能有几个插入件，每个插入件都钻有不同的孔，以适应不同尺寸的温度传感器的校准。

在干砌块中，温度传感器的孔位是非常重要的足够紧使传感器和插入件之间的热阻低。在太松的镗孔中，传感器稳定缓慢，或者由于阀杆传导，可能根本达不到插入件的温度。

通常，您将在待校准的干块中插入一个温度传感器，或者校准温度传感器是环路中的第一个组件的温度环路。

的主要好处干燥块的优点是易于在现场进行，当你携带它时，没有热流体会溢出。此外，干燥块不会污染正在校准的温度传感器。

干块几乎总是用干的。在一些非常罕见的情况下，您可以使用一些传热液或浆料。在大多数情况下，如果使用液体，可能会损坏干块。

使用油或糊状物也会导致潜在的健康和火灾风险，如果后来在高于例如外来物质闪点的温度下使用。一个660°C的干块，它的绝缘吸收了硅油，可能看起来很整洁，但加热时会喷出有毒气体。各地的校准实验室可能比他们想要的更熟悉这一点……

作为缺点对于干块，我们可以考虑比液体浴更低的精度/稳定性，并且更难以校准非常短和奇怪形状的传感器。

所以，这不是一个“浴”?

不，我说的是“干块”，不是吗…;-)

也有浴温度可用的,里面有液体．将液体加热/冷却，并将待校准的温度传感器插入液体中。液体也被搅拌，以使液体中的温度分布均匀。

也有一些组合的干块和液浴，这些设备通常有单独的干插入和单独的液体插入。

主要的好处液浴具有较好的温度均匀性和稳定性，适用于形状较短和奇数的传感器。

而缺点液体浴的体积更大，重量更重，与热液体一起工作，便携性较差，而且它们通常比干块慢。

无论如何，在这篇文章中，我们关注的是温度干块，所以让我们回到它们。

EURAMET指南

在继续之前，让我们快速浏览一下Euramet指南。是的，它与这个主题非常相关。

EURAMET是欧洲区域计量组织(RMO)。他们协调欧洲国家计量研究所(NMI)的合作。更多关于Euramet的信息https://www.euramet.org/

Euramet还发布了许多关于各种校准的信息指南。

我想在这里提到的是一个专门用于温度干块校准的:EURAMET校准指南第13号，版本4.0(09/2017)，标题为“温度块校准器校准指南”。

之前的3.0版本发布于2015年。第一版出版于2007年。该指南之前被称为EA-10/13，所以你可能也会遇到这个名字。

该指南定义了校准干燥块温度的规范方法。许多制造商在校准干块和给出干块规格时使用该指南。

为了突出显示最新版本4.0的一些内容，它包括:

范围

校准功能

描述

• 轴向均匀性
• 镗孔之间的温差
• 荷载的影响
• 长期稳定性
• 热传导

校准

• 测量
• 不确定性

报告结果

例子

你可以在这里下载Euramet指南pdf格式:

温度块校准器校准指南

不确定性的组件

让我们进入实际的不确定性分量。当您使用干块进行温度校准时，这些是导致测量结果不确定性/误差的原因。

内部还是外部参考传感器?

有两种主要方法来测量干块的真实(正确)温度。一种是使用内部测量使用内置在干块内的内部参考传感器，另一种是使用外部参考传感器插入到插入镗/孔中。

这两种方法之间有一些根本的区别，它们对不确定性的影响非常不同，所以让我们接下来讨论这两种方法:

1.内部参考传感器

内部参考传感器永久地插入到干块内部的金属块中，它通常靠近块的底部，并且位于围绕可互换插入件的金属块中。

所以，这个内部传感器不直接测量插入的温度，你插入传感器校准，但它测量周围块的温度。由于块和插入件之间总有一些热阻，这种测量并不是最准确的。

特别是当温度变化时，块温度通常比插入温度变化快。如果校准太快而没有等待足够的稳定时间，这将导致错误。

内部参考传感器无论如何都是非常方便的，因为它总是在块内，并且您不需要在插入中为它预留一个专用的孔。

内部测量的重新校准有点困难，因为你需要把整个干块重新校准。

内部测量传感器的信号由干块中的内部测量电路自然测量并显示在块的显示器中。测量通常有一个给定的精度规格。如前所述，在实践中，本规范仅在稳定条件下有效，不包括由于校准完成太快或待校准传感器不在插入件底部的校准区域内而引起的不确定性，在足够紧密的镗孔中。

上面左边的图片说明了内部参考传感器通常位于温度块中，而要校准的传感器插入到插入件中。如果要校准的传感器足够长，并且到达插入件的底部，镗孔足够紧，并且我们等待足够长的时间来稳定，我们可以得到良好的校准，误差很小。

在右边的图片中，我们可以看到如果要校准的传感器太短而无法到达插入的底部会发生什么。在这种情况下，内部参考传感器与待校准传感器位于不同高度，测量的温度也不同，校准结果误差较大。

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，你插入一个参考传感器到合适的孔在插入，而你输入传感器校准在其他孔在同一插入。

由于外部参考传感器插入与待校准传感器相同的金属插入件，因此可以更精确地测量待校准传感器测量的相同温度。

理想情况下，参考传感器应具有与待校准传感器相似的热特性(相同的尺寸和热导)。在这种情况下，随着插入温度的变化，外部参考传感器和待校准传感器将更准确地跟随相同的温度变化。

外部参考传感器自然需要以某种方式进行测量。通常干块具有内部测量电路和外部参考传感器的连接，或者您可以使用外部测量设备。对于不确定度，需要考虑参考传感器的不确定度和测量电路的不确定度。

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获得更精确的校准，且不确定度更小。所以，如果你想要好的准确性(不确定性小)，强烈推荐。

外部参考传感器也提高了可靠性。如果内部和外部传感器的读数相差很大，这对用户来说就是一个警告信号，可能有什么地方出错了，测量结果可能不可靠。

为了重新校准，在外部参考传感器的情况下，您可以只发送参考传感器进行重新校准，而不是整个干块。在这种情况下，您自然不会检查干块的功能(并在必要时进行调整)，例如轴向温度均匀性。

如果您不发送干块进行校准，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，轴向梯度通常也是最大的不确定性成分。否则，严格的审核员可能会深刻地质疑您的测量的可追溯性。

上面的图片说明了外部参考传感器和DUT(待测设备)传感器都位于插入。第一张图片显示的情况下，当两个传感器到达底部的插入，导致最佳校准结果。

第二张图显示了如果参考传感器和DUT传感器在不同的深度会发生什么。这将导致两个传感器之间的温差很大，并将导致校准误差。

第三张图显示了DUT传感器较短的示例，并且参考传感器已正确定位于与DUT传感器相同的深度。有了这个，你可以得到最好的校准结果，尽管在刀片的上部，刀片的均匀性不是很好。

因此，如果传感器位于不同的高度，则会导致额外的误差，但使用外部参考传感器时，误差通常仍然小于使用内部参考传感器校准短传感器时的误差。

3.轴向温度均匀性

轴向均匀性(或轴向均匀性)是指在插入件中沿钻孔垂直长度的温度差异。

例如，与镗孔温度稍高相比，在镗孔最底部的温度可能略有不同。

通常情况下，如果块的温度与环境温度相差很大，则插入件最顶部的温度将不同，因为温度泄漏到环境中。

有些温度传感器的实际测量元件较短，有些较长。此外，有些人的元素比其他人更接近尖端。为了确保不同的传感器处于相同的温度，块插入底部的均生区应该足够长。一般情况下，指定面积为40mm ~ 60mm。

干块应在插入底部有足够的面积，其中温度均匀性是指定的。在校准块的过程中，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升高。这种短传感元件传感器需要稳定，但甚至不需要校准，因为它只用于测量不同高度的温差。如果需要，轴向温度梯度通常可以在干燥块中进行调整。

如果你有一个短的(卫生的)温度传感器，不能一直到达插入物的底部，那么事情就会变得有点复杂。在这种情况下，干块中的内部参考测量不能真正使用，因为通常在块的底部使用。应使用外部参考传感器，其测量区中心应与待校准的短传感器测量区中心插入一样深。

通常，这意味着应该使用专用的短参考传感器，并插入与待校准的短传感器相同的深度。如果要校准的短传感器有一个大法兰，就会变得更加困难，因为这会吸收传感器的温度。

总结在校准过程中，应确保参考传感器插入与待校准传感器相同的深度。如果您知道传感元件的长度和位置，请尝试水平对齐中心。如果这是不可能的，那么您需要估计由它引起的误差。如果校准的精度要求较高，或者要校准的传感器不够长，无法到达插入孔的底部，则应使用外部温度传感器。

上图说明了“轴向温度均匀性”的含义。通常，干块底部有一个特定的区域，该区域具有均匀的温度，但当你开始抬起传感器进行校准时，它将不再处于相同的温度。

4.镗孔之间的温差

正如标题所暗示的那样，镗孔之间的温差，有时被称为“径向均匀性”，是插入件中每个镗孔(孔)之间的温差。虽然镶片是由金属化合物制成的，并且具有良好的导热性，但在镗孔之间仍然可能存在微小的差异，特别是相反的镗孔。

在实践中，当你有两个传感器在插入安装在不同的镗孔，它们之间可能有一个小的温差。

这种差异可能是由于插入件在一侧接触块较多或插入件加载不均匀(一侧传感器较多，或一侧传感器比另一侧更厚)造成的。当然，位于不同位置的加热器和珀尔帖元件也有它们的公差。

在实际应用中，镗孔之间的温度差通常比较小。

总结-应考虑镗孔之间的温度差的规格。

5.荷载影响

如果块的温度与环境温度不同，总有一些热量通过传感器传导到环境中(阀杆电导)。

如果在插入件中安装了多个传感器，就会有更多的温度“泄漏”到环境中。此外，传感器越厚，温度泄漏就越多。

插入件与环境温度的温差越大，泄漏就越大。

例如，如果干块处于高温下，这种温度泄漏将导致插入件因负载而冷却。插入的顶部会比底部损失更多的温度，顶部变得更冷。

插入越深，加载效果越小。此外，一些干燥的积木有两个或两个以上的加热/冷却区:一个在底部，一个在中间，一个在积木的顶部。这将有助于补偿加载效果(例如，顶部加热可以加热更多，以补偿顶部的插入冷却)。

如果使用干块的内部参考测量，通常会有较大的误差，因为内部参考不在插入块中，而是在周围块的底部。因此，内部参考传感器不能很好地看到加载的这种影响。

外部参考传感器可以更好地看到加载的效果，因为它是在插入，它也会有相同的温度变化。当使用外部参考传感器时，加载效果引起的误差要小得多(与使用内部参考传感器相比)，结果更好。

总结-检查干燥块在应用程序中的加载效果(有多少传感器，哪种类型的传感器)，并将其作为一个不确定性组件。

上面的图片说明了由传感器泄漏温度到环境中引起的阀杆电导。在第二张图中插入了几个传感器，因此阀杆电导/泄漏更大。

6.长期稳定性

长期稳定性是指温度在较长时间内保持稳定的程度。温度需要稳定一段时间，因为不同的传感器可能有不同的热特性，不同的传感器稳定所需的时间也不同。如果温度不断上升和下降，不同的传感器可能会读取不同的温度。

如果温度有波动，与使用内部参考传感器相比，外部参考传感器无论如何都会得到更准确的结果。

通常干砌块制造商会给出稳定性规格，例如30分钟。

7.别着急!

记住这个事实很好温度传感器总是只测量自身的温度．所以，它不测量它安装的地方的温度，但它会测量它自己的温度。

此外，温度变化非常缓慢，需要一段时间才能使系统的所有部分稳定到相同的温度，即系统达到平衡。

如果你用干燥块太快进行温度校准，这将是不确定性的最大来源!

所以，了解你的系统和你校准的传感器，并进行实验，看看需要多长时间才能足够稳定。

特别是如果您使用内部参考传感器，它将比位于插入中的待校准传感器更快地达到设定温度。这是因为内部传感器位于加热/冷却的块中，而要校准的传感器位于插入件中。过早获取结果会导致很大的错误。

对于外部参考传感器，稳定的需求取决于您的参考传感器与待校准传感器的差异。如果它们有不同的直径，它们很可能有不同的稳定时间。无论如何，使用外部参考传感器将比内部传感器更准确，以防您没有等待足够长的时间来稳定。

通常干块会有一个稳定性指示器，但这可能是测量内部参考传感器的稳定性，所以不要只相信这一个。

总结-简而言之，如果你做温度校准太快，结果将是可怕的。

上图展示了一个(夸张的)例子，其中温度设定点最初是10°C，在5分钟标记时已更改为150°C(蓝线表示设定点)。

在干块中有两个传感器-一个参考传感器和一个待校准传感器。

我们可以看到传感器1(红线)变化得更快，在大约11分钟时达到最终温度。传感器2(绿线)的变化要慢得多，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，如果我们过早地读取10分钟标记的温度，我们将在结果中得到一个巨大的错误(大约85°C)。即使我们在15分钟时读取读数，我们仍然有大约20°C的差异。

所以，在读取读数之前，我们应该确保等待足够长的时间，以确保所有传感器都稳定在新的温度。

总结

使用干块进行温度(传感器)校准似乎非常简单和直接。但无论如何，仍有许多可能产生不确定性和误差的来源应予以考虑。

通常，最大的不确定性可能来自如何进行校准的程序，而不一定来自组件的规格。

例如，您可能有一个总不确定度为0.05°C的精确干块和一个不确定度为0.02°C的高质量参考传感器。但无论如何，如果制造不当，用这些设备校准温度传感器会有好几个度的不确定性。

这是我不喜欢讨论TAR(测试精度比)的一个原因，因为它没有考虑到校准程序引起的所有不确定性，它只使用精度规格。

我希望文章中列出的这些考虑因素能帮助您认识到不确定性的可能来源，以及如何将其最小化。

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