一款高性能热电偶参考端均温器及其测试

    0 引言

    很多时候，我们需要一个工作在室温附近的均温器，只要求其有足够的温度均匀度，并保持适当的稳定性就可以了，至于温度高低并不重要。

    显然，与外界隔热良好的高导热系数材料就是性能良好的均温器，并且当工作在室温下时，不需要有专门的温控系统。然而，这样的均温器，在外界外界干扰下，其温场( 均匀度和稳定度) 变化如何，却是我们所关心的，如果没有严格的测试，凭直观的感觉，可能导致理解上的数量级的偏差，也不敢贸然使用。

    本文通过介绍一款均温器并对其进行测试，用数据说明其均温性能甚至比一些电子恒温器或恒温槽好，具有很高的实用价值。可以应用于室温下的许多温度检测用场合，例如:热电偶( 自动) 校准和热电偶仪表检定的参考端恒温器、多通道温度测量装置和温度计的室温比较器、温度仪表生产过程的热电偶室温补偿误差调整、温度传感器的检查验收、元器件的配对调整等等。

    1 导热系数和热扩散系数对温场的影响

    固体内部的热量传递为热传导。在热导热过程中，物体各点温度不随时间变化的叫稳态热传导，物体各点温度随时间变化的叫非稳态热传导^［1］。在非稳态热传导中，温度不仅不稳定而且不均匀。热传导的温场分布和物体的热物性参数、形状、及与外界热交换情况等有关。对温场影响有以下 2个参数:

    1) 导热系数 λ 对温场影响。λ = | q | / | ▽ T | ，其中 | q |和 | ▽ T | 分别表示热流密度矢量的模和温度梯度的模。λ 越大，在相同温度梯度下，传导的热量越大; 反过来，在传递相同的热量下，λ 越大，温度梯度越小。导热系数 λ 和热阻成反比，反映了物体的导热能力。

    2) 热扩散系数 β 对温场影响。β = λ / ( ρ* cp) ，其中 ρ 为密度、c_p为比热容。( ρ* c_p) 是物体单位体积的热容量，( ρ* c_p)越小，热传导过程的蓄热或放热效应影响越小，热流量传输得越快。β 参数综合了物体的导热能力和蓄热能力，反映了非稳态热传导过程热量的传播速度。

    从传热学知道，当把温度看作电压、热流量看作电流、热阻看作电阻、热容量看作电容时，可以用电阻 － 电容网络来模拟非稳态导热过程^［2］。

    想象将物体分割为一些小体积元，每个小体积元的蓄热或放热相当是电容 c_x的充电或放电，小体积元跟上、下、前、后、左、右小体积元的热传导，相当存在电阻 r_xy跟电容 c_x连接，物体表面和外界换热的总热阻相当电阻 R，外界温度 t 相当电源 U，U 通过电阻 R 影响阻容网络各点的电压，如图1( a)所示。图中任意两点电位 u_a和 u_b之差，相当物体任意两点的温度之差。