@fluketw
| 2018。07 03 | 計量爐與乾式爐的比較：垂直梯度真的非常重要嗎？ |
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垂直梯度真的非常重要嗎？
乾式爐校正器作為溫度標準，被許多校正實驗室和各種工業領域廣泛使用。眾所皆知，乾式爐校正器的軸向溫度均勻性一般不如(往往遠遠不如)液體恆溫槽。垂直溫度梯度對校正的影響到底有多大？為什麼應該考慮使用計量爐來替代乾式爐和液槽？
1. 軸向溫度均勻性及其對校正誤差的影響
乾式爐頂部和底部的散熱速率不同於中間。這是因為與頂端相比，底部隔熱更好，不受環境效應的影響。所以在乾式爐內就存在垂直方向的溫度梯度。在乾式爐的設計中，儘量在箝入管的長度範圍內實現最佳熱量分佈，來補償這種梯度。然而，由於軸向溫度均勻性在不同溫度下有所變化，所需的熱量分佈時刻在變化，所以實現以上目的非常困難。
乾式爐中溫度計的讀數是乾式爐箝入管中感測器範圍內檢測到的溫度平均值。PRT感測器的具有不同的長度，並且在其護套中的位置也略有不同。將不同類型的感測器(例如將較短的高靈敏度熱電偶或熱敏電阻與較長的PRT感測器)進行比對，會發生明顯的軸向位置差異，使得比較結果受軸向梯度的影響比較大。因此，乾式爐校正器的軸向溫度不均勻性對校正誤差具有顯著的影響。
▲ 圖2 660 °C下使用不同PRT時的軸向溫度均勻性
▲ 圖3 計量爐在不同溫度下的軸向溫度均勻性
▲ 圖4 PRT比對校正，元件長度完全相同，660 °C，乾式爐
▲ 圖5 PRT元件長度不同時在660 °C下的比對校正結果
2. 計量爐有何不同？
為了降低校正誤差以及提高現場可用校正器的性能，福祿克計量校正部開發了一種具有雙區控制的校正器，稱為“計量爐”。計量爐採用了多種新技術，與乾式爐相比，總體性能大幅提高。最大的改進是每個計量爐的整個溫度量程內具有優異的軸向溫度均勻性。這一改進得益於能夠自動調節頂部區域溫度的技術，在任何溫度設置下都能最大程度減小兩個溫區之間的溫差。
3. 計量爐與乾式爐校正器的軸向均勻性比較
實驗表明，使用同一乾式爐、在相同溫度下、使用兩支不同感測器尺寸的PRT時，測量結果變化明顯。圖2所示為典型乾式爐較差的軸向均勻性。從圖中可以看出，測量均勻性的溫度計的檢測元件越短，均勻性表現越差，因為每個元件都是對其長度範圍內檢測到的溫度進行平均。從圖2和圖3可以看出，計量爐的性能具有明顯不同。
4. 使用單溫區乾式爐校正器進行校正
為觀察乾式爐誤差的典型幅值，包括軸向梯度、徑向梯度和套管漏熱，使用乾式爐和參考溫度計校正多支PRT。測試了4支元件長度完全相同的PRT，之前都用固定點容器進行了校正，以確保結果一致性。然後在溫度接近660 °C的乾式爐校正器對PRT進行測量。PRT的實測溫度如圖4所示。最大差異略小於0.1 °C。由於PRT的結構類似，軸向溫度不均勻性和套管漏熱引起的差異可忽略不計，我們可以得出結論，大部分誤差是由於徑向溫度不均勻性造成的。
使用元件長度不同的PRT時，誤差大得多。對元件長度不同的PRT在660 °C下進行比對的結果如圖5所示。這些PRT之前也在固定點容器中進行了校正，以確保一致性。測量值之差高達接近2 °C。由於探頭在乾式爐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。所以我們得出結論：較大誤差主要是軸向溫度梯度引起的。
5. 使用計量爐校正器進行校正
使用計量爐進行了類似的測試。在實驗中使用了8支元件長度不同的PRT。所有PRT均在從水到鋁的固定點容器中進行了校正。所有感測器元件長度均小於55 mm，但長短不一。在三種溫度下，將7支中的每支PRT與第8支PRT進行比對，結果如表1所示。
結論
以上簡單測試表明，計量爐的軸向均勻性比普通乾式爐的軸向均勻性好10至20倍。這點非常重要，在許多情況下，軸向均勻性是使用乾式爐時不確定度的最大影響因素，而且軸向均勻性會影響不確定度的其他分量，例如徑向均勻性、熱負載效應、套管漏熱和控制穩定度。
這是否意味著乾式爐是非常差的儀器？當然不是。乾式爐非常適合許多性能要求沒那麼高的現場應用。乾式爐速度快、重量輕、便攜性強、便宜，非常適合用於許多應用。這是否意味著計量爐可以代替液體恆溫槽？在某些情況下，是的；計量爐的性能非常好，速度快又不需要液體，無論是現場還是實驗室應用都具有一定優勢。然而，在最常用的溫度範圍下，還是液體恆溫槽擁有最佳的溫度穩定性和均勻性。並且液體恆溫槽還有一項非常棒的優勢：支援各種類型、尺寸和感測器直徑的溫度計。