目前，热电阻、精密数字温度计、热电偶等接触式测温传感器采用的计量方法通常是比较法，即将标准温度计与被检温度计共同放入恒温槽中，通过比较确定被检温度计的示值误差，因此恒温槽的温度均匀性和波动性影响着测量结果的准确性与可靠性。
在计量温度传感器时，计算由恒温槽不均匀性引入的不确定度分量按B类不确定度评定法，区间半宽为恒温槽的最大温差，当恒温槽最大温差减小时，由恒温槽温场不均匀性引入的不确定度分量也随之减小。计算测量重复性引起的不确定度按A类不确定度评定法，温度波动度则影响测量重复性引入的不确定度分量。通常，高准确度温度传感器具有示值稳定、分辨力高的计量性能，由分辨力引入的不确定度可忽略不计，恒温槽的波动性及均匀性对高准确度温度传感器的计量影响更大。
文中通过设计一种均热块结构，利用均热块的热容量提升恒温槽的稳定性和均匀性，在不同校准温度点进行测试，对均热块的温度场均匀性、波动性及测量响应时间进行研究，分析比较采用增加均热块结构的恒温槽和传统恒温槽之间温度场的差异。
1、均热块设计
1.1 均热块材料设计
设计均热块基本结构的材料主要考虑导热系数大的材料，支撑结构主要考虑有足够刚性能够支撑放在恒温槽开孔处。由于紫铜具有导热性好、塑性好的优点；不锈钢材料拥有较小的导热系数，且比热容较小，在恒温槽开孔处接触空气时能有效减少热量的散失，因此本次研究采用的均热块基本结构材料为紫铜，整体支撑材料为不锈钢。
1.2 均热块结构设计
设计均热块结构主要考虑恒温槽工作空间直径与深度、常见温度传感器尺寸以及实验室工作需求。实验室恒温槽工作空间一般为φ(130～138)mm×450mm；标准铂电阻温度计尺寸一般为φ(6.5～7)mm，插入深度不小于250mm；高精度温度传感器直径一般为φ(4～5)mm；实验室通常一次校准传感器约2～6支。
因此均热块结构设计上为多孔型，可同时放入1支标准铂电阻温度计与6支被校温度传感器。均热块可放入常规的恒温槽内，满足大部分传感器的插入深度，并具有一定的热容量；且均热块完全浸没于液面以下，浸入深度约为300mm。根据该尺寸，标准铂电阻温度计的插入深度为270mm，满足标准铂电阻温度计的使用要求。
2、测试数据及分析
温度场的性能测试使用标准铂电阻温度计作为标准器，并参考JJF 1030-2023《温度校准用恒温槽技术性能测试规范》的测试方法，分别对传统恒温槽与增加均热块结构的恒温槽温度波动性、温度均匀性进行测试；传感器响应时间的测试使用标准铂电阻温度计与精密数字温度计进行。通过试验数据分析增加均热块结构后的恒温槽温度均匀性、波动性以及不确定度、响应时间。
2.1 温度波动性测试结果与分析
2.1.1 测试方法
温度波动性是指温度场工作区域在一定时间间隔内温度变化的范围。波动性参照JJF 1030-2023《温度校准用恒温槽技术性能测试规范》的测试方法，为了更直接地比较有无均热块结构对恒温槽波动性的影响，在试验过程恒温槽增加人为扰动，即小幅度调整槽温。
2.1.2 测试过程及数据
1)波动性测试
波动性测量均为间隔10s读取一次示值，记录10min共61个数据。以10min内所有数据计算温度波动度，以最后记录的10组数据来计算标准差，即为测量重复性引入的标准不确定度。测试数据如表1所示。
表1 温度波动性及引入的不确定度试验数据
2)增加扰动，波动性测试
测试温度点为：0℃、50℃。测试0℃时，通过手动增加恒温槽设定值0.1℃增加温度波动；测试50℃时，通过手动增加恒温槽设定温度0.1℃，往恒温槽中加入冰水快速减小恒温槽设定温度0.1℃增加温度波动。测试数据如表2所示，波动曲线图如图1、图2所示。
表2 恒温槽温度异常波动试验数据
图1 0℃温度波动性曲线图
图2 50℃温度波动性曲线图
2.1.3 结果分析
根据试验数据与温度波动曲线图分析可知，增加均热块结构后的温度波动度比未增加均热块的恒温槽温度波动度有明显减小，测量重复性引入的不确定度也明显降低。对于波动异常的恒温槽，均热块内部温度稳定性也优于恒温槽内介质温度稳定性，其温度升高峰值和温度降低谷值均减小，峰谷值时间延缓。所以，增加均热块结构可使恒温槽温度波动性减小，有效降低恒温槽波动性导致的不确定度分量。使用加入均热块结构的恒温槽可减少计量时恒温槽波动带来的不良影响。
2.2 温度均匀性测试结果与分析
2.2.1 测试方法
温度均匀性是指温度场工作区域内最高温度与最低温度之间的差。未增加均热块的恒温槽均匀性参照JJF 1030-2023《温度校准用恒温槽技术性能测试规范》的测试方法；增加均热块后由于工作区域为均热块底部，故增加均热块后的恒温槽最大温差即为水平温差，测试位置为均热块底部。
2.2.2 测试过程及数据
依据规范JJF 1030-2023对未增加均热块的恒温槽均匀性进行测试。
加入均热块结构的恒温槽均匀性测试：固定温度计插入均热块中心孔位置，移动温度计依次插入外圈圆孔，当温度稳定后开始测量，以2支标准铂电阻温度计之间在不同位置的最大差值和最小差值之差计算温度均匀性。测试数据如表3所示。
表3 温度均匀性试验数据
2.2.3 结果分析
根据试验数据分析可知，增加均热块后的恒温槽最大温差小于未增加均热块的恒温槽水平温差与最大温差，由恒温槽温场不均匀性引入的标准不确定度明显降低。所以，增加均热块结构可提升恒温槽的均匀性，有效降低恒温槽不均匀性引入的标准不确定度分量。在计量时使用加入均热块结构的恒温槽可保证传感器与标准器处于同一工作水平面上，减少恒温槽温场不均匀性带来的不良影响。
2.3 传感器响应时间测试结果与分析
2.3.1 测试方法
传感器响应时间可表征其到达测量稳定状态所需要的时间。本次测试选用1支二等标准铂电阻温度计作为标准器，4支精密数字温度计作为被校仪器，以给定目标温度后传感器与标准器的差值 时所需要的时间来表示稳定时间，其中为传感器的示值误差。
2.3.2 测试过程及数据
响应时间测量均为间隔10s记录一次示值，共记录30min。增加均热块后的响应时间测试过程如图3所示。
图3 响应时间测试过程
以30min内最后记录的10组数据平均值来计算精密数字温度计的示值误差
，根据得到的数据计算每10s后4支高精密数字温度计与标准铂电阻温度计的差值
，当 时，该时刻时间即为该传感器的响应时间，以mm:ss表示，测试结果如表4所示。
表4 响应时间测试结果
2.3.3 结果分析
根据试验数据分析可知，增加均热块后的测量响应时间小于未增加均热块的恒温槽测量响应时间。对于高精度的测量传感器，使用加入均热块结构的恒温槽可减少传感器的测量响应时间，更快地得到准确的测量误差。
3、结语
文中通过对增加均热块结构的恒温槽温度波动性与温度均匀性进行试验研究，并与未增加均热块的恒温槽温度场进行对照试验，在不同校准温度点进行测试。通过各项试验数据表明，增加均热块结构的恒温槽有着波动性小、均匀性好及响应时间快的优点。在计量中，增加均热块结构可降低因恒温槽波动性与不均匀性带来的不良影响，有效降低恒温槽波动性与不均匀性引入的标准不确定度分量。在计量高准确度传感器时，可以更快地得到准确的测量误差，提高了计量效率，满足对校准高精度温度传感器的市场需求。
作者：林思婷(福建省计量科学研究院)
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