工業(yè)熱電偶冷端補(bǔ)償及檢定技術(shù)研究

[摘要]論文介紹了工業(yè)熱電偶的分類方法和冷端補(bǔ)償方法,并針對熱電偶在測量過程中參考端的特殊要求,根據(jù)工業(yè)熱電偶相關(guān)檢定規(guī)程介紹了熱電偶檢定中需要的主要檢定設(shè)備和常用的檢定方法。對熱電偶進(jìn)行正確檢定以保證溫度量值的正確和統(tǒng)一,在溫度計量的源頭把好質(zhì)量關(guān)是非常必要的。
引言
　　溫度是物理學(xué)中最常用的物理量之一,其對工業(yè)制造及科學(xué)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。同時,其也是工業(yè)制造業(yè)中的重要T藝參數(shù)”。在物理學(xué)上,物質(zhì)的各個屬性及大自然規(guī)律性均同溫度關(guān)系密切,伴隨科學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)中的作用愈發(fā)顯著,溫度的計量體現(xiàn)出更關(guān)鍵的科研價值。另外,其附帶產(chǎn)品溫度傳感器應(yīng)運(yùn)而生并在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要效能,它們的測量精準(zhǔn)度對工業(yè)制造的效率及品質(zhì)產(chǎn)生巨大影響。
在常規(guī)的工業(yè)化生產(chǎn)中,熱電偶溫度傳感器運(yùn)用最為廣泛。其不僅在石油加工、化學(xué)、能源、軍工、航天等領(lǐng)域被普遍運(yùn)用,另外,在醫(yī)學(xué)設(shè)備、科研儀器、電子計量、制藥生產(chǎn)、家用電器及汽車制造中,該傳感器被負(fù)于重任。
1熱電偶分類
　　通常意義上,熱電偶有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及工作用熱電偶之分。前者研究早,應(yīng)用廣泛,在工藝生產(chǎn)上相對穩(wěn)定,通常具備批量產(chǎn)出的規(guī)模,--般該熱電偶的性能有目共睹。由此,其也被列人工業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)文件中,分度上--致性良好,國際統(tǒng)--。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶通常有八類:鉑鍺10-鉑熱電偶(S型)、鉑鍺13~鉑熱電偶(R)、鉑鍺30-鉑銠6熱電偶(B型)、鎳鉻-鎳硅熱電偶(K型)、鎳鉻硅-鎳硅熱電偶(N型)、銅-銅鎳(康銅)熱電偶(T型)、鎳鉻~銅鎳(康銅)熱電偶(E型)、鐵-銅鎳(康銅)熱電偶((J型)。其中,貴金屬熱電偶有三類,分別是S,R,B,廉金屬熱電偶有五類,分別是K,N,E,J,T。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶通常可進(jìn)行特殊環(huán)境下的溫度計量,分度表并不固定。
2熱電偶冷端補(bǔ)償
　　根據(jù)熱電偶的物理學(xué)機(jī)理,其熱電動勢的高低等于測量前端溫度及冷端溫度的差值,為確保熱電動勢與待測溫度呈線性關(guān)系,務(wù)必要讓冷端溫度維持固定”。熱電偶的分度表是以冷端溫度為零度為前提的。以分度表刻度的溫度顯示設(shè)備亦是如此。實際操作中,測量時冷端無法保證等于零度,所以務(wù)必要運(yùn)用某些數(shù)學(xué)補(bǔ)償及邏輯修正的手段來去除冷端溫度不穩(wěn)定所造成的影響。一般的冷端補(bǔ)償手段包括:冰點(diǎn)法、溫度補(bǔ)償法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、電橋補(bǔ)償法。
(1)冰點(diǎn)法
　　顧名思義,此方法是把熱電偶的冷端置于冰水混合物的器皿中,讓冷端溫度維持在0C。當(dāng)然,由于操作不便,此方法僅可用于實驗室環(huán)境。
(2)溫度補(bǔ)償法
　　我們假設(shè)熱電偶測量前端溫度是t,而冷端溫度為t0(不等于0度),此時得到熱電偶的輸出電勢是E(t,t0)。依據(jù)中間溫度定律,可以熱電偶的輸出熱電勢通過數(shù)學(xué)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為冷端為零度的值,邏輯關(guān)系為E(,0)=(t,t0)+E(t,0)。通常方法補(bǔ)償過程中,要先獲得冷端溫度to,繼而查詢分度表獲得E(,0),同時參照上式運(yùn)算獲得E(t,0),二次查詢分度表測得相應(yīng)溫度值。在自動測溫中此方法被廣泛應(yīng)用。
(3)補(bǔ)償導(dǎo)線法
　　在熱電偶冷端溫度非0℃情況下,為更好地補(bǔ)償,可以同熱電偶材質(zhì)物理屬性類似的導(dǎo)線把其冷端延長到測量設(shè)備的接線端。此時用到的補(bǔ)償導(dǎo)線僅是把冷端延伸至固定溫度環(huán)境下的接線端,它本身并無法去除冷端溫度的不確定性,不具備補(bǔ)償效能。所以在冷端溫度非0℃情況下,還要求運(yùn)用冰點(diǎn)法或熱電勢補(bǔ)償法等手段來修正測量時由于冷端非零引發(fā)的不穩(wěn)定性。
3熱電偶的檢定
　　為保證熱電偶在制作及研發(fā)時維持最大限度的正確性,針對新制作的熱電偶,務(wù)必要進(jìn)行嚴(yán)格的檢定,達(dá)標(biāo)后方可用于流入市場;而正常使用的熱電偶,因為它的熱電屬性會因為自然因素、人為因素等發(fā)生改變,所以也應(yīng)當(dāng)定期進(jìn)行檢定,要繼續(xù)測量必須達(dá)標(biāo)。因為熱電偶有貴金屬及廉金屬兩類,檢定過程中要參照的規(guī)則也不盡-致。而對貴金屬熱電偶,參照J(rèn)JG141-2013《工作用貴金屬熱電偶檢定規(guī)程》,務(wù)必要先對熱電偶外觀先行檢定,繼而清洗退火,最后參考規(guī)程要求的檢定點(diǎn)(S和R型檢定點(diǎn)為:鋅(419.527℃、鋁(660.323℃、銅(1084.62℃凝固點(diǎn);B型為:1100℃,1300℃,1500℃)和檢定形式展開系統(tǒng)控溫及數(shù)據(jù)收集等環(huán)節(jié)4。而針對廉金屬,參照J(rèn)JG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》,也務(wù)必要對其外觀例行檢定,而新生產(chǎn)的要進(jìn)行退火操作,使用中的無需退火,而它的檢定溫度點(diǎn)是參照熱電偶絲的材質(zhì)及電極規(guī)格來定級的。
3.1主要檢定設(shè)備
　　工作用貴金屬熱電偶檢定儀器詳見表1。
表1工作用貴金屬熱電偶檢定設(shè)備

序號	設(shè)備名稱	技術(shù)要求	用途	備注
1.	標(biāo)準(zhǔn)熱電偶	鉑銠10-鉑熱電偶兩只 鉑銠30-鉑銠熱電偶兩只 鉑銠30-鉑銠6熱電偶兩只
2.	電測儀器	精度高于0.01級 分辨力高于0.1μV	測量熱電偶熱電動勢	可用不低于其精度等級要求的其他電測儀器。
3.	多路轉(zhuǎn)換開關(guān)	寄生電勢及寄生電勢只差小于0.4μV	切換各路熱電動勢。
4.	參考端恒溫器	恒溫器深度不低于兩百毫	熱電偶參考端0℃的恒溫裝置。	可用滿足要求的恒溫槽代替
5.	管式檢定爐	爐長大約六百毫米 爐管內(nèi)徑大約二十毫米 爐內(nèi)溫度最高點(diǎn)偏離爐子幾何中心小于二十毫米等	S型熱電偶和R型熱電偶的檢定。	爐管內(nèi)徑高于20mm的檢定
6.	高溫管式檢定爐	爐長大約六百毫米 爐管內(nèi)徑大約二十毫米 爐內(nèi)溫度最高點(diǎn)偏離爐子幾何中心小于二十毫米等	B型熱電偶的檢定。
7.	退火爐	爐長大約六百毫米 爐管內(nèi)徑大約二十毫米 爐內(nèi)溫度最高點(diǎn)偏離爐子幾何中心小于二十毫米等	S型、R型、B型熱電偶的退火。
8.	熱電偶通電退火裝置	配備的交流電流表精度不低于0.5級	熱電偶的通電退火。
9.	千分尺	分辨力不大于1μm	偶絲直徑的測量
10.	其它輔助設(shè)備	電爐、米尺等

 
而同類型的廉金屬熱電偶檢定儀器通常有:
(1)一等、二等標(biāo)準(zhǔn)的鉑銠10-鉑熱電偶各1個;一套量程-30-到300℃的二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計,二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度儀-組。
(2)一組低電勢直流電位差計,精準(zhǔn)度要高于0.02級、最小步進(jìn)值小于1V,也可以同級別其余儀器代替。
(3)寄生電勢≤1μV的多點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)。
(4)參考端恒溫器,恒溫器內(nèi)溫度控制在0℃,容差0.1。
(5)有效工作空間里的溫差不高于0.2℃的定溫油槽。
(6)符合檢定標(biāo)準(zhǔn)的管式爐及控溫裝置。
3.2常規(guī)的檢定手段
　　根據(jù)檢定的要求,現(xiàn)階段工作用的熱電偶溫度計的檢定形式以比較法最為普遍。該方法是運(yùn)用高端標(biāo)準(zhǔn)及待檢熱電偶直觀對比的一類檢定形式。把標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及待檢熱電偶--塊置于檢定爐中,把測量端放在爐內(nèi)溫場均勻的空間,繼而參照規(guī)程要求展開檢定。一般的比較法有兩類:-是雙極法,二是同名極法。
(1)雙極法
　　雙極法是在所有的檢定點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)及待測熱電偶電勢值的測量,再運(yùn)用數(shù)學(xué)關(guān)系獲得它的偏差或相關(guān)的熱電勢值回,雙極法檢定接線物理機(jī)理見圖1。
 
　　讓爐溫上升到設(shè)置好的檢定點(diǎn),待溫度穩(wěn)定后開始參照如圖2的次序測量每個熱電偶的熱電勢,總的次數(shù)應(yīng)保持4次以上。
 
　　以雙極法檢定熱電偶在每個特定點(diǎn)上的熱電動勢可以式(1)來進(jìn)行運(yùn)算:
此式中:
e_t標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書上定義的檢定的設(shè)置熱電勢值;
△et為于檢定點(diǎn)周邊測量到的待測熱電偶的熱電勢算術(shù)平均值同標(biāo)準(zhǔn)熱電偶此數(shù)值的差值。
(2)同名極法.
　　該方法可應(yīng)用在同類別的熱電偶檢定中,它的物理學(xué)機(jī)理見圖3。待測熱電偶的電極同測量設(shè)備的“+”口連接,標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電極同測量設(shè)備的“”口連接。把標(biāo)準(zhǔn)熱電偶同待測熱電偶一塊包裝后置于檢定爐,爐內(nèi)溫度升至設(shè)置的檢定點(diǎn)并趨于恒定,方能進(jìn)行測量,測量次數(shù)原則上應(yīng)大于4次。