钢轨测温计检定仪温场均匀性测量和分析
钢轨测温计( 以下简称轨温计) 是一种测量钢轨表面温度的测量仪器, 检定时使用轨温计检定仪,检定仪工作台表面温度均匀性, 与检定结果直接相关。根据 jjg( 铁道)140- 2002“钢轨测温计检定规程”, 针对新型的 hwg- 1 高精度的轨温计检定仪, 介绍测试方法和测量过程, 说明使用高精度轨温计检定仪, 其温场的均匀性和长期稳定性, 远远优于检定规程的要求, 建议检定规程修订时, 对于该类型的轨温计检定仪, 检定前可省略 5 点温场均匀性的检查。
轨温计是测量钢轨表面温度的专用测温仪器。轨温计的检定是按照 jjg( 铁道)140- 2002“钢轨测温计检定规程”(以下简称规程) 进行检定。规程自2002 年 9 月 1 日施行以来, 已有 4 年多时间, 由于受当时检定仪技术指标的限制, 规程中要求轨温计检定仪温场均匀度应不大于 0.4 ℃。随着科学技术的不断进步, 近几年来已经研制出精度更高、性能更好的轨温计检定仪, 如 hwg- 1 型轨温计检定仪, 此检定仪的主要技术指标为:
(1) 检定台:
表面温场均匀性 0.05 ℃;
最大偏差小于 0.1 ℃。
(2) 恒温槽:
温度波动度±0.01℃/10 min;
温场均匀性 0.01 ℃。
该套检定仪是以高精度恒温槽为主体, 配合检定台实现轨温计的检定。检定台的表面是使用导热性能极好的金属导热体 〔导热系数大约在 100 w/(m·℃)〕, 所以温场均匀度做到了 0.05 ℃以内, 远远小于规程 0.4 ℃的要求。通过理论分析和实验数据验证, 使用该类检定仪对轨温计进行检定时, 可以不进行检定前 5 个点位置温度均匀性检查 (现行规程要求), 直接进行轨温计检定。
根据轨温计检定仪温场的均匀性, 可将检定仪分为 2 类:
(1) 高精度: 检定仪温场均匀度≤0.2 ℃;
(2) 普通型:0.2 ℃<检定仪温场均匀度≤0.4 ℃。
下面就高精度检定仪温场均匀度测量进行分析和讨论。
1 高精度轨温计检定仪组成和温场测量
hwg- 1 型轨温计检定仪的外形见图 1, 检定台表面位置见图 2, 属于高精度检定仪。
根据规程的要求,5 个点位置温度均匀性检查的测量位置见图 3。分别测量工作面上的 “左上”、“左下”、“中”、“右上”、“右下”, 使用精密表面温度计测量,取 5 个位置温度最大与最小值之差为温场均匀度。
2 温场测量方法
检定台温场测量, 属于表面温度测量。测量使用rcy- 2a 型自校式铂电阻数字测温仪 (以下简称数字测温仪), 如图 1 所示, 测量传感器为 pt100 铂电阻, 探头带磁性, 要求检定台表面有磁性。当探头吸合在表面时, 探测器工作面和检定台表面接触总是有间隙, 为了克服接触热阻的影响, 在工作面之间加入少许工作液体, 以减少接触热阻的影响, 如图 2所示。测量中为了减少空气流动对工作面温度的影响, 在检定台上盖上有机玻璃盖, 如图 1 所示。
每测量 1 个位置的温度, 都要求轨温计检定仪的温度稳定在 0.01 ℃/10 min, 数字测温仪的数字变化<0.01 ℃/5 min, 记录测量数据; 移动到下一个位置, 重复上述过程。
3 测量数据和结果
对 hwg- 1 型轨温计检定仪温场均匀性进行了6 个月 4 次测量, 测量数据见表 1。表 1 中的温度点为检定仪的设置温度, 测量数据为数字测温仪的读数, 均匀度为 5 点温度最大值和最小值之差, 实验标准偏差为 s, 其定义为:
其中, qk为 k 次测量结果,
为 n 次测量平均值。
测量结果: 对于 6 个月 4 次测量, 每次测量在- 20～70 ℃之间选择相同的几个温度点, 均匀度都在 0.05 ℃之内。如果用标准实验偏差 s 表示温度均匀性, 最大值为 0.023 ℃。
以 4 次测量每次每个温度的平均值为基本数据,6 个月的温度稳定性见表 2。6 个月温度稳定性最大为 0.092 ℃, 这其中包括数字测温仪的准确度, 数字测温仪的准确度为 0.1 ℃, 因此, 轨温计检定仪的长期稳定性通过 6 个月的实验考核, 应优于 0.092 ℃。
4 测量结果分析
按照规程的要求, 轨温计检定仪表面温场均匀度≤0.4 ℃, 每次检定前, 首先测量 5 点温场均匀度,然后将标准放在最接近 5 点平均值位置上。那么, 由温场所引入的标准不确定度分量 u1为:
u1=0.4/2/
=0.115 ℃ (2)
对于 hwg- 1 型轨温计检定仪, 温场均匀度指标和测量结果均为 0.05 ℃, 如果检定前不进行 5 点温场测量, 标准和被检放在检定台表面的任意位置,由温场所引入的标准不确定度分量 u1为:
u1=0.05/=0.03 ℃ (3)
用实验标准偏差表示见表 1, 最大为 0.023 ℃, 其温场均匀度引入的标准不确定度分量均小于规程的要求。因此检定前, 均可不必做 5 点温场测量, 标准和被检可放在检定台表面任意位置, 均能满足规程要求.
对于温场均匀度≤0.2 ℃的高精度检定仪, 如果不进行 5 点温场测量, 标准和被校放在检定台表面任意位置, 由于温场均匀性所引入的不确定度分量u1为:
u1=0.2/=0.115 ℃ (4)
式(4) 值与式(2) 值相同, 因此, 对于高精度检定仪, 均可不必在检定前做5 点温场测量, 均能满足规程的要求。
5 结论
根据 jjg (铁道)140-2002 钢轨测温计检定规程“4.1.2.2”要求, 检定轨温计每个点之前, 先用精密温度计对 5 个点位置温度进行检查, 将精密温度计吸附在最接近 5 点平均值的位置上, 再进行其它项目检定, 因此检定中大量的时间均耗费在 5 点温场的测量上。
通过上述实验数据和不确定度分析, 使用高精度钢轨测温计检定仪, 每个温度点检定之前, 可以不必进行 5 点温场测量, 其检定结果均优于检定规程的要求, 这样会大大简化检定过程, 节省时间, 提高检定效率。建议在修改规程时, 考虑使用轨温计检定仪的类型。对于普通型轨温计检定仪, 仍然沿用 5 点温场测量; 对于高精度检定仪, 省略检定前的温场测量,将温场测量的间隔时间修改为半年或 1 年, 对检定进行质量监控。
