干井校準(zhǔn)器作為溫度標(biāo)準(zhǔn)，被許多校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室和各種工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用。眾所周知，干井校準(zhǔn)器的軸向溫度均勻性一般不如(往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如)液體恒溫槽。垂直溫度梯度對(duì)校準(zhǔn)的影響到底有多大？為什么應(yīng)該考慮使用計(jì)量爐來(lái)替代干井和液槽？
一、軸向溫度均勻性及其對(duì)校準(zhǔn)誤差的影響
干井頂部和底部的散熱速率不同于中間。這是因?yàn)榕c頂端相比，底部隔熱更好，不受環(huán)境效應(yīng)的影響。所以在干井內(nèi)就存在垂直方向的溫度梯度。在干井的設(shè)計(jì)中，盡量在插塊的長(zhǎng)度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳熱量分布，來(lái)補(bǔ)償這種梯度。然而，由于軸向溫度均勻性在不同溫度下有所變化，所需的熱量分布時(shí)刻在變化，所以實(shí)現(xiàn)以上目的非常困難。
干井中溫度計(jì)的讀數(shù)是干井插塊中傳感器范圍內(nèi)檢測(cè)到的溫度平均值。PRT傳感器的具有不同的長(zhǎng)度，并且在其護(hù)套中的位置也略有不同。將不同類(lèi)型的傳感器(例如將較短的高靈敏度熱電偶或熱敏電阻與較長(zhǎng)的PRT傳感器)進(jìn)行比對(duì)，會(huì)發(fā)生明顯的軸向位置差異，使得比較結(jié)果受軸向梯度的影響比較大。因此，干井式校準(zhǔn)器的軸向溫度不均勻性對(duì)校準(zhǔn)誤差具有顯著的影響。
▲ 圖2 660 °C下使用不同PRT時(shí)的軸向溫度均勻性
▲ 圖3 計(jì)量爐在不同溫度下的軸向溫度均勻性
▲ 圖4 PRT比對(duì)校準(zhǔn)，元件長(zhǎng)度完全相同，660 °C，干井
▲ 圖5 PRT元件長(zhǎng)度不同時(shí)在660 °C下的比對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果
二、計(jì)量爐有何不同？
為了降低校準(zhǔn)誤差以及提高現(xiàn)場(chǎng)可用校準(zhǔn)器的性能，福祿克計(jì)量校準(zhǔn)部開(kāi)發(fā)了一種具有雙區(qū)控制的校準(zhǔn)器，稱(chēng)為“計(jì)量爐”。計(jì)量爐采用了多種新技術(shù)，與干井相比，總體性能大幅提高。最大的改進(jìn)是每個(gè)計(jì)量爐的整個(gè)溫度量程內(nèi)具有優(yōu)異的軸向溫度均勻性。這一改進(jìn)得益于能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)頂部區(qū)域溫度的技術(shù)，在任何溫度設(shè)置下都能最大程度減小兩個(gè)溫區(qū)之間的溫差。
三、計(jì)量爐與干井式校準(zhǔn)器的軸向均勻性比較
實(shí)驗(yàn)表明，使用同一干井、在相同溫度下、使用兩支不同傳感器尺寸的PRT時(shí)，測(cè)量結(jié)果變化明顯。圖2所示為典型干井較差的軸向均勻性。從圖中可以看出，測(cè)量均勻性的溫度計(jì)的檢測(cè)元件越短，均勻性表現(xiàn)越差，因?yàn)槊總€(gè)元件都是對(duì)其長(zhǎng)度范圍內(nèi)檢測(cè)到的溫度進(jìn)行平均。從圖2和圖3可以看出，計(jì)量爐的性能具有明顯不同。
四、使用單溫區(qū)干井校準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)
為觀(guān)察干井誤差的典型幅值，包括軸向梯度、徑向梯度和套管漏熱，使用干井和參考溫度計(jì)校準(zhǔn)多支PRT。測(cè)試了4支元件長(zhǎng)度完全相同的PRT，之前都用固定點(diǎn)容器進(jìn)行了校準(zhǔn)，以確保結(jié)果一致性。然后在溫度接近660 °C的干井式校準(zhǔn)器對(duì)PRT進(jìn)行測(cè)量。PRT的實(shí)測(cè)溫度如圖4所示。最大差異略小于0.1 °C。由于PRT的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，軸向溫度不均勻性和套管漏熱引起的差異可忽略不計(jì)，我們可以得出結(jié)論，大部分誤差是由于徑向溫度不均勻性造成的。
使用元件長(zhǎng)度不同的PRT時(shí)，誤差大得多。對(duì)元件長(zhǎng)度不同的PRT在660 °C下進(jìn)行比對(duì)的結(jié)果如圖5所示。這些PRT之前也在固定點(diǎn)容器中進(jìn)行了校準(zhǔn)，以確保一致性。測(cè)量值之差高達(dá)接近2 °C。由于探頭在干井中的緊固放置及其足夠的插入深度，所以套管漏熱不可能引起如下大的誤差。所以我們得出結(jié)論：較大誤差主要是軸向溫度梯度引起的。
五、使用計(jì)量爐校準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)
使用計(jì)量爐進(jìn)行了類(lèi)似的測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中使用了8支元件長(zhǎng)度不同的PRT。所有PRT均在從水到鋁的固定點(diǎn)容器中進(jìn)行了校準(zhǔn)。所有傳感器元件長(zhǎng)度均小于55 mm，但長(zhǎng)短不一。在三種溫度下，將7支中的每支PRT與第8支PRT進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如表1所示。
結(jié)論
以上簡(jiǎn)單測(cè)試表明，計(jì)量爐的軸向均勻性比普通干井的軸向均勻性好10至20倍。這點(diǎn)非常重要，在許多情況下，軸向均勻性是使用干井時(shí)不確定度的最大影響因素，而且軸向均勻性會(huì)影響不確定度的其他分量，例如徑向均勻性、熱負(fù)載效應(yīng)、套管漏熱和控制穩(wěn)定度。
這是否意味著干井是非常差的儀器？當(dāng)然不是。干井非常適合許多性能要求沒(méi)那么高的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。干井速度快、重量輕、便攜性強(qiáng)、便宜，非常適合用于許多應(yīng)用。這是否意味著計(jì)量爐可以代替液體恒溫槽？在某些情況下，是的；計(jì)量爐的性能非常好，速度快又不需要液體，無(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)還是實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用都具有一定優(yōu)勢(shì)。然而，在最常用的溫度范圍下，還是液體恒溫槽擁有最佳的溫度穩(wěn)定性和均勻性。并且液體恒溫槽還有一項(xiàng)非常棒的優(yōu)勢(shì)：支持各種類(lèi)型、尺寸和傳感器直徑的溫度計(jì)。
