热电偶和铂电阻在试验包冻结点测试中的比较与选择

[摘要] 本文针对冰箱性能测试用试验包的冻结点测试中使用的热电偶和铂电阻进行了大量的比较试验，并结合其特性进行了详细的比较分析，非常终确定选择热电偶进行冻结点测试是合适的。

一、背景

国内冰箱行业发展过程中，冰箱性能试验用模拟负载经历了直接用牛肉、少量进口试验包、国产试验包几个阶段。GB/T 8059-2016虽然规定了试验包的成分及配比，但是对各种成分的偏差范围未做明确限定。标准中说明a）型试验包热学性能（冻结点-1℃）相当于瘦牛肉，b）型试验包热学性能（冻 结点-5℃）没有提出热学性能相当的自然物质，由于热学性能的测定较困难，对冻结点的偏差范围也未做明确限定，所以试验包制作过程中的成分比例控制与制作工艺随意性很大，由此造成试验包的热学性能偏差较大，使得冰箱性能测试的准确性差、一致性差，对冰箱生产的品质控制及产品开发造成不利影响。

根据多年来形成的惯例，一般冻结点上下偏差0.5℃ 即为合格。事实上冻结点上偏差0.5℃，试验中就会减少全部试验包降低0.5℃所需要的冷量，减少降温所需要的时间。同理，冻结点下偏差0.5℃，就会增加试验中的冷量，增加降温时间。所以使用冻结点偏差较大的试验包进行检测，对检测结果的影响也是明显的。

基于此背景，本文计划研制以冻结点温度为特性值的试验包标准样品，并以冻结点温度为关键特性参数。如何能够准确测量出试验包冻结点温度，对冰箱性能测试起着关键作用。目前冰箱性能测试用一只热电偶预埋试验包内部制成M包，用于监测温度。但即使是非常高精度的热电偶也有0.5℃偏差，因此，使用热电偶对试验包冻结点进行测量，理论上无法满足较高的精度要求。在众多的温度测量装置中，铂电阻的精度和稳定性均优于热电偶，对于需要高精度的温度测量，一般都采用铂电阻，因此，铂电阻被确定为理想的温度测量装置。基于理论分析和实际需要，在试验包冻结点测试方法的研究中，确定使用铂电阻和热电偶进行比较分析测量。

二、热电偶与铂电阻的特性分析及确定

在电气领域的检测中，常用的测温装置有热电偶和铂电阻。热电偶是电气领域中温升试验常用测温装置，同时标准GB/T 8059-2016中描述的M包，也指出使用热电偶等作为温度测量装置。与热电偶相比，铂电阻稳定性更好，精度更高，由于试验包冻结点温度要求的偏差较小，在试验非常初铂电阻被认为是测量试验包冻结点温度的理想测温装置。非常终确定在进行冻结点测试试验时使用热电偶和铂电阻两种测温装置，便于分析比较。GB/T 16839.1-2018表12中给出了热电偶允差，参考G B 4706.1-2005第11章中的11.3条中提到，温升由细丝热电偶确定，同时注1中指出，细丝热电偶是指线径不超过0.3mm的热电偶。因此，非常终确定使用AWG30线径约为0.25mm的1级T型热电偶。根据JB/T 8622-1997《工业铂热电阻技术条件及分度表》，铂电阻划分为A、B二个等级，实际常用1/3B、A、B三个精度等级。考虑到实际试验中常用的铂电阻，暂时确定在试验时使用直径为4mm长为40mm的A级Pt100铂电阻。

三、试验方案设计

使用-1℃的低温槽对热电偶和铂电阻进行校准，满足要求后将热电偶和铂电阻分别插入同一批次的两个试验包中。使两种测温装置的顶部位于试验包的几何中心处，放入环境温度为-24℃的低温环境中进行冻结点测试。初次测量，热电偶的测量结果高于铂电阻测量结果约0.5℃，与预期结果偏差较大。初步分析，可能是试验包自身偏差导致，因此再次使用相同的热电偶和铂电阻，插入同一个试验包的几何中心处重复进行试验，以消除试验包自身偏差影响，但热电偶的测量结果仍然高于铂电阻测量结果约0.5℃。从理论上分析，如果是经过校准的热电偶和铂电阻对于测量同一种物质的温度，其修正后的结果应该相同，但本试验结果超出预期。为了确定问题所在，重新设计一组试验。将四个试验包(编号为A、B、C、D)并排黏在一起，将一支铂电阻（编号为4）从D试验的外侧面的中心插入至A试验包的几何中心处，使铂电阻在试验包内的长度约为35cm（参考JJF1171-2007《温度巡回检测仪校准规范》 中6.6.5条，校准时，将装入传感器的玻璃管插入介质中，插入深度不少于300mm）。并在同一试验包上插入两只热电偶（编号为7和8）如 图1进行对比。

将装好铂电阻和热电偶的四个试验包(编号为A、B、C、D)，放 入-24℃的低温环境中进行冻结点温度测试。测试结果如表1。

表1 试验1冻结点测试结果

由测量结果表1可以看出，在增加了铂电阻测温装置在测量物质中的深度后，铂电阻与热电偶的测量结果基本一致。

在试验1的基础上，去掉B、 C、D试验包。再次放入-24℃的环境中进行测试，测试结果如表2。

表2 试验2冻结点测试结果

由试验2测试结果可以看出，铂电阻的测试结果低于热电偶的测试结果，且明显低于试验1的铂电阻-5.33℃的测试结果。同时与本文开头提到初次测量时铂电阻与热电偶的试验结果相差约0.5℃的情况基本吻合。实际测试中，在按照图1试验时，可观察到铂电阻与7号热电偶温度显示基本一致；在试验2中，试验开始时的一段时间内，铂电阻温度加速下降，下降至低于7号热电偶一定温度，并与热电偶温度保持该温度差同步下降。至此推断，直径为4mm长为40mm的铂电阻，由于感温装置尺寸比较大，受环境温度影响严重，不适合用于试验包冻结点的测试。

基于此结果，考虑使用较小尺寸的铂电阻进行冻结点温度的测量是否可行。专门定制了三支小尺寸铂电阻（直径3mm，长15mm），编号为1、2、3。把铂电阻和热电偶插入同一个试验包的几何中心处进行冻结点测试试验，试验3布置图见图3，结果见表3。编号1、2、3为铂电阻，编号为5、 6、7、8、9、10为热电偶。

表3 试验3铂电阻测试结果

 显示铂电阻测试结果略低于热电偶，但差异并不明显。为了确定环境对小尺寸的铂电阻是否同样存在影响，避免不同测温装置之间差异的影响，进一步进行试验4，比较铂电阻的测试结果。

在图3的基础上，按照图4相应增加试验包的数量，使铂电阻深入试验包的深度依次递减。将图4的所有试验包放入-24℃的环境中进行冻结点温度测试，结果如表4。

表4 试验4铂电阻测试结果

将试验3和试验4的铂电阻测试结果进行比较，如表5

表5 试验3与试验4铂电阻测试结果比较

通过比较可以看出，随着铂电阻的插入深度的减小，冻结点温度的测量差值越来越小，再次证明环境温度对小尺寸的铂电阻仍然存在影响。

另外，通过对不同尺寸铂电阻的试验结果进行对比，可以看出随着铂电阻的尺寸减小，环境温度对铂电阻测量值的影响大大降低，但仍不能完全避免。

四、总结

通过上述试验方案，经过多次时，铂电阻的插入深度不能有效避免环境温度的影响，导致测量值偏离实际值。

综上，在进行试验包冻结点测试时，使用热电偶进行测量是更为适合的。同时在制定《制冷器具试验包冻结点测试方法》时，也规定采用细丝热电偶进行试验包冻结点温度的测试。