羅小萍

(湖北省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，武漢 430071)

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分度熱電偶時(shí)參考端溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響研究

羅小萍

(湖北省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，武漢 430071)

針對(duì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行工作用熱電偶量值傳遞時(shí)，對(duì)于熱電偶參考端處于不同溫度下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，通過熱電偶測(cè)溫定律和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了熱電偶參考端處于非0℃時(shí)的檢測(cè)結(jié)果復(fù)現(xiàn)偏差的大小以及產(chǎn)生的內(nèi)在原因，并提出了偏差大小對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性影響。

熱電偶；量值傳遞；參考端；復(fù)現(xiàn)性

0 引言

熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的測(cè)溫傳感器，在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí),熱電偶的輸出電勢(shì)是其測(cè)量端和參考端兩端溫度的函數(shù)，那么在對(duì)熱電偶進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)時(shí)，不僅要使熱電偶的測(cè)量端處于穩(wěn)定、均勻的溫場(chǎng)中，對(duì)其參考端溫度的控制也是保證測(cè)量精度的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。國(guó)際電工委員會(huì)發(fā)布的熱電偶分度表，其參考端溫度均為0℃,故通常情況下對(duì)熱電偶進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)時(shí)，其參考端均放置在0℃恒溫器中。但有時(shí)出于某些特殊原因(如熱電偶結(jié)構(gòu)或檢測(cè)條件等因素的影響)熱電偶參考端不便于放置在0℃而處于室溫下，這時(shí)我們一般采取熱電偶參考端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行溫度補(bǔ)償，此方法是基于熱電偶的中間溫度定律，目前絕大多數(shù)熱電偶自動(dòng)檢測(cè)裝置均設(shè)置有參考端自動(dòng)補(bǔ)償功能，理論上講以上兩種參考端溫度設(shè)置方式對(duì)熱電偶的測(cè)量結(jié)果應(yīng)該是一致的，而實(shí)際測(cè)量結(jié)果會(huì)不會(huì)有所偏差？偏差的大小對(duì)于被測(cè)對(duì)象的準(zhǔn)確度來說是否可接受？本文將通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較不同參考端溫度下分度熱電偶時(shí)的復(fù)現(xiàn)誤差，并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)方案

為便于控制影響熱電偶檢測(cè)結(jié)果的其他影響因素，被測(cè)對(duì)象選擇帶延長(zhǎng)線的鎧裝熱電偶，選用穩(wěn)定性和均勻性較好的干體爐做熱源，熱電偶在干體爐中不易發(fā)生位置變動(dòng)從而避免因檢定爐溫場(chǎng)波動(dòng)和不均勻性導(dǎo)致的重復(fù)性誤差。熱電偶參考端放置在穩(wěn)定性和均勻性較好的恒溫液槽中，測(cè)量端與參考端溫度的標(biāo)定均選用準(zhǔn)確度較高的精密鉑電阻溫度計(jì)。

1.1 實(shí)驗(yàn)用熱電偶

選擇規(guī)格為Φ3mm×1200mm的K、J、E分度號(hào)鎧裝熱電偶各1支，Φ3mm×2000mm的T分度號(hào)鎧裝熱電偶2支，其中J、E分度號(hào)熱電偶為新制熱電偶，K、T分度號(hào)熱電偶為使用中的熱電偶。

1.2 測(cè)量設(shè)備技術(shù)參數(shù)

測(cè)量設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)量設(shè)備技術(shù)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)溫度的選擇

K型、E型、J型熱電偶實(shí)驗(yàn)溫度選擇在200℃、400℃、600℃，熱電偶參考端分別置于0℃、25℃、50℃溫度下進(jìn)行測(cè)量；T型熱電偶實(shí)驗(yàn)溫度選擇在100℃、200℃、300℃，熱電偶參考端也分別置于0℃、25℃、50℃溫度下進(jìn)行測(cè)量。

2 測(cè)量過程

如圖1所示，將被測(cè)熱電偶測(cè)量端和精密鉑電阻溫度計(jì)1置于干體爐底部， 干體爐升溫至200℃，

1.精密鉑電阻1；2.熱電偶；3.精密鉑電阻2；4.恒溫液槽；5.置換開關(guān)；6.溫度校驗(yàn)儀；7.干體爐圖1 熱電偶檢測(cè)裝置

將另一支精密鉑電阻溫度計(jì)2與被測(cè)熱電偶的參考端置于0℃恒溫液槽中(鉑電阻溫度計(jì)2用于測(cè)量參考端溫度)，并分別連接至轉(zhuǎn)換開關(guān)及溫度校驗(yàn)儀，待爐溫穩(wěn)定后，讀取鉑電阻溫度計(jì)1和每支熱電偶測(cè)量數(shù)據(jù)。保持干體爐溫度不變，將鉑電阻溫度計(jì)2與被測(cè)熱電偶的參考端取出置于25℃恒溫液槽中，保持30min以上待熱電偶示值穩(wěn)定后，讀取鉑電阻溫度計(jì)1和每支熱電偶測(cè)量數(shù)據(jù)(包括讀取鉑電阻溫度計(jì)2的值并進(jìn)行補(bǔ)償)。同樣保持干體爐溫度不變，將鉑電阻溫度計(jì)2與被測(cè)熱電偶的參考端取出置于50℃恒溫液槽中，保持30min以上待熱電偶示值穩(wěn)定后，讀取鉑電阻溫度計(jì)1和每支熱電偶測(cè)量數(shù)據(jù)。

按上述同樣步驟，分別將干體爐升至400℃和600℃，分別測(cè)量熱電偶參考端處于0℃、25℃、50℃時(shí)的示值，最終計(jì)算出每支熱電偶在各測(cè)量溫度、不同參考端溫度下的示值誤差。

3 不同參考端溫度下熱電偶量值復(fù)現(xiàn)結(jié)果比較

計(jì)算得出3支K型、E型、J型熱電偶在各實(shí)驗(yàn)溫度點(diǎn)和不同參考端溫度下的示值誤差見表2。2支T型熱電偶在各檢測(cè)點(diǎn)的示值誤差見表3。

表2 不同參考端溫度下的示值誤差 ℃

表3 不同參考端溫度下的示值誤差 ℃

注：給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為兩次測(cè)量結(jié)果的平均值。按置信概率95%評(píng)估上述實(shí)驗(yàn)方法帶來的測(cè)量結(jié)果不確定度約為0.1℃。

以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)熱電偶測(cè)量端溫度不變時(shí)，熱電偶參考端溫度處于25℃和50℃時(shí)運(yùn)用參考端溫度補(bǔ)償方法得到的示值誤差與參考端溫度處于0℃得到的示值誤差均有所不同，復(fù)現(xiàn)偏差大小統(tǒng)計(jì)見表4、表5。

表4 熱電偶參考端溫度處于非零度 時(shí)的復(fù)現(xiàn)偏差 ℃

表5 熱電偶參考端溫度處于非零度 時(shí)的復(fù)現(xiàn)偏差 ℃

4 熱電偶量值復(fù)現(xiàn)偏差分析

從表4、表5數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)從縱向來看偏差的數(shù)值大小很接近，小于±0.1℃，具有一定的規(guī)律，原因分析如下：

我們知道，應(yīng)用熱電偶參考端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行熱電偶量值傳遞是基于熱電偶的中間溫度定律，其理論公式如下：

E(T，Tn，0℃)=E(T，Tn)+E(Tn，0℃)

(1)

式中:E(T，Tn，0℃)表示熱電偶在兩端溫度為(T，0℃)時(shí)的輸出熱電勢(shì)；E(T，Tn)表示熱電偶在兩端溫度為(T，Tn)時(shí)的輸出熱電勢(shì)；E(Tn，0℃)表示熱電偶在兩端溫度為(Tn，0℃)時(shí)的輸出熱電勢(shì)。

分度熱電偶時(shí)，當(dāng)參考端溫度為Tn，我們運(yùn)用式(1)進(jìn)行參考端溫度補(bǔ)償時(shí)加上的E(Tn，0℃)是通過查分度表而得到的值，亦即E(Tn，0℃)只與分度號(hào)及Tn有關(guān)，未考慮到熱電偶的分散性，而實(shí)際上每支熱電偶在(Tn，0℃)溫度段的輸出熱電勢(shì)值并不相同，亦即熱電偶在(Tn，0℃)溫度段的實(shí)際誤差值沒有考慮進(jìn)去，當(dāng)此項(xiàng)誤差值較大時(shí)，采用參考端補(bǔ)償法進(jìn)行量傳就會(huì)帶來較大偏差。

根據(jù)以上分析，我們將上述實(shí)驗(yàn)用的各支熱電偶在25℃和50℃進(jìn)行了誤差測(cè)量，測(cè)量時(shí)參考端溫度為0℃，測(cè)量結(jié)果如表6所示。

表6 熱電偶在25℃和50℃時(shí)的測(cè)量誤差 ℃

以上數(shù)據(jù)表明每支熱電偶在Tn溫度下均有各自的熱電特性，K型熱電偶的誤差較大，說明其均勻性較差，而E、T1、T2三支熱電偶誤差較小，其均勻性較好。

我們將表4、表5熱電偶參考端溫度處于25℃和50℃時(shí)與參考端溫度處于0℃時(shí)的復(fù)現(xiàn)偏差與表6熱電偶在25℃和50℃的示值誤差進(jìn)行綜合比較可以看出：表4、表5列出的復(fù)現(xiàn)偏差值和表6中熱電偶在25℃和50℃的示值誤差密切相關(guān)。如K型熱電偶，其25℃的誤差約為-1.1℃，即熱電偶在25℃時(shí)的實(shí)際輸出電勢(shì)值比分度表的值小，而我們補(bǔ)償時(shí)是按分度表的值補(bǔ)償進(jìn)去的，亦即補(bǔ)償值被人為地增大了1.1℃，使得測(cè)量結(jié)果也偏大，表4中K型熱電偶在200℃、400℃、600℃參考端溫度處于25℃時(shí)復(fù)現(xiàn)偏差為+1.1℃、+1.1℃、+1.0℃(保留1位小數(shù))，即由于忽略了熱電偶在參考端溫度下的輸出值的誤差，從而導(dǎo)致了復(fù)現(xiàn)偏差。偏差大小與忽略了的熱電偶誤差大小非常接近，方向相反。而E型熱電偶和2支T型熱電偶在25℃和50℃的測(cè)量誤差均較小，那么在表4、表5中我們看到E型和2支T型熱電偶用參考端溫度補(bǔ)償法測(cè)量帶來的復(fù)現(xiàn)偏差值也較小。

5 結(jié)語

綜上所述，我們可總結(jié)如下提示：

1)將熱電偶中間溫度定律運(yùn)用于實(shí)際熱電偶量值傳遞中進(jìn)行參考端溫度(室溫)補(bǔ)償只是一種理想化的近似補(bǔ)償；

2)分度熱電偶時(shí)若參考端置于室溫下，測(cè)量結(jié)果會(huì)因熱電偶的分散性而出現(xiàn)不同程度的偏差。偏差的大小與熱電偶的使用年限無直接關(guān)系，而與熱電偶在參考端溫度下的熱電特性密切相關(guān)。當(dāng)被測(cè)熱電偶在室溫下的示值誤差越大，用參考端溫度補(bǔ)償法測(cè)量帶來的復(fù)現(xiàn)偏差就越大，反之就越小，且方向相反。

3)采用參考端溫度補(bǔ)償法測(cè)量帶來的復(fù)現(xiàn)偏差較大時(shí)有可能影響到熱電偶的合格判定或測(cè)量結(jié)果的可信度聲明。

[1] JJG 351—1996工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1996

[2] JJF 1262—2010鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010

[3] 廖理.熱學(xué)計(jì)量[M].北京：原子能出版社，2002

[4] 王在旗.熱電偶校準(zhǔn)參考端溫度的合理選擇.中國(guó)計(jì)量,2011(11)

[5] 莊森.熱電偶管理及檢定數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用.計(jì)量技術(shù),2005(2)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.1.18