精度高熱電偶校準系統的研究

摘要:熱電偶是熱加工設備中溫度測量最常用的傳感器，在熱加工設備中，如熱壓罐、熱處理爐、表面處理槽等都需要熱電偶來控制和記錄設備的溫度，熱加工設備中，熱電偶用來控制和記錄設備的溫度，構成一個溫度測量系統，將測量的溫度在儀表上顯示/控制和記錄。對這些設備的檢測，如溫度均勻性測試和溫度儀表系統精度校驗都是用熱電偶作為傳感器進行測試的，熱電偶性能的好壞直接關系到溫度測量的準確性。
0引言
　　熱電偶在工作時，通常直接放置在熱加工設備中，與補償導線和溫度控制和記錄儀表相連接，通常由兩種不同的金屬絲組成，它的測溫原理是基于1821年塞貝克發現的熱電現象。熱電偶通過測量熱電動勢，再按照1990年國際溫標ITS-90將熱電動勢轉換成溫度數值來達到測量溫度參數的一種傳感器。熱電偶就是通過測量熱電動勢，再按照1990年國際溫標ITS-90.將熱電動勢轉換成溫度數值來達到測量溫度參數的一種傳感器。
　　熱電偶一般由熱電極、絕緣保護管和接線盒組成。目前國際上有8種標準化的熱電偶，分別為廉金屬熱電偶(E、J、K、T、N型)和貴金屬(R、S.B型)兩大類。
1熱電偶的校準
　　熱電偶在使用過程中，由于高溫、氧化、再結晶、.環境腐蝕、污染等因素熱電偶的熱電性能會發生變化,就會影響熱電偶的示值誤差，所以熱電偶的國家檢定規程如JJG351-96《工業廉金屬熱電偶檢定規程》、JJG141-2013《工作用貴金屬熱電偶檢定規程》、JJF1262-2010《鎧裝熱電偶校準規范》等，都要求對熱電偶進行定期校準，校準周期一般不超過半年，以保證熱電偶的示值誤差滿足要求。熱電偶示值誤差的校準方法為比較法。目前國內外相關校準規范如國家檢定規程JJG351-96《工業廉金屬熱電偶檢定規程》和美國國家標準ASTME220《用比較法校準熱電偶》都要求采用比較法進行校準。比較法是利用高--級精度的標準熱電偶和被校準熱電偶直接比較的-種校準方法。校準時，將被測熱電偶與標準熱電偶--起捆扎送入校準爐內。熱電偶的測量端位于校準爐內均勻的高溫區域中，爐內溫度恒定在整百度或規程要求的溫度點上用雙極法、同名極法或微差法來確定被校準熱電偶在該溫度下的電動勢值。
2工業化精度高熱電偶校準系統
　　基于對高溫熱電偶校準系統的不確定度指標，即根據確定的測量結果不確定度,即U=(0.3~1.0)℃，開展深入、細致、切實的測量不.確定度分析，發現以往在常規校準系統的不確定度分析中曾被忽略的不確定度分量。通過對各不確定度分量進行重新分配、平衡，確定校準系統各組成模塊(包括主標準器、電測模塊、掃描開關、校準爐、補償導線、參考端等等)的計量參數及不確定度分量指標。
2.1系統的組成
　　隨著計算機科學技術的飛速發展，熱電偶的校準從早期的手動校準階段，到后來的半自動校準階段,到現在的全自動校準階段,熱電偶校準的自動化水平不斷提高。熱電偶校準系統由--等標準鉑銠10-鉑熱電偶、熱電偶校準爐、參考端恒溫器、電測儀表、掃描開關、計算機、打印機和配套的相關軟件構成，系統總體設計如圖1所示。
 
系統研究內容如下:
　　研究熱電偶校準用熱管恒溫槽，研究熱管恒溫槽的溫度穩定性和均勻性的關鍵指標，其中均勻性包括.上水平面溫差、下水平面溫差和工作區域最大溫差，解決(300~500)℃熱電偶校準過程中溫場不均勻帶來不確定度分量較大問題;研究精密熱電偶校準爐，研究熱電偶校準爐的軸向溫度場和徑向溫度場的關鍵指標，研究熱電偶校準爐的定位系統，解決(500~1200)℃熱電偶校準過程中溫場不均勻帶來不確定度分量較大問題;研究精密熱電偶校準專用電測模塊,研究電測儀器的精度等級、分辨力等關鍵指標，滿足各類規程對高溫熱電偶校準的要求，減小電測模塊在校準過程中帶來的不確定度分量;研究專用低電勢掃描開關，研究掃描開關寄生電勢、通道間數據采集差值、測量重復性等關鍵指標，滿足各類規程對高溫熱電偶校準的要求，減小熱電偶校準過程中掃描開關寄生電勢帶來不確定度分量;研究熱電偶參考端處理模塊，研究參考端恒溫系統的深度尺寸、工作區域內溫度變化等關鍵指標，減小熱電偶校準過程中參考端恒溫模塊帶來不確定度分量較大問題;開展高溫熱電偶校準系統軟件研制，研究滿足國家將定規程或校準規范等要求的軟件，用于校準過程的數據處理、原始記錄打印、校準證書打印等。
2.2專用熱管槽的研究
　　高溫熱電偶校準系統專用熱管槽結構研究主要通過提升熱管的熱循環速度來提升熱管的傳熱能力，減小有效工作區溫差，擬采取的措施為增強熱交換。通過改變熱管結構、加大散熱能力提升管內工質的循環速度，繼而提高熱管管芯插管的熱傳輸功率，提高整體換熱能力。具體措施可包括:通過增加散熱器表面.積，增加散熱器的散熱功率。通過增加熱管槽插管與工質的接觸面積，即在插管外壁焊接翅片，或將多個插管通過翅片相互連接，從而增加每一根插管與工質飽和蒸汽的熱接觸面積，提高插管的傳熱能力。.
　　通過對國內外熱管工作介質材料搜集、研究、比對、分析，通過實驗確定出合適的熱管工作介質。由于熱管的工作溫度上限為550℃,該溫區熱管只能使用低熔點金屬作為工作介質。目前汞用于(300~500)℃立式熱管恒溫槽，取得較好的效果。高溫熱電偶校準系統專用熱管槽的主要技術指標及要求為:工作溫度范圍:(300~550)℃;有效工作區(垂直方向)傳感器插孔底部算起300mm;有效工作區(水平方向):φ40mm的插孔和其他插孔;有效工作區任意兩點溫差:≤0.05℃;溫度波動性:≤0.05℃/min.
2.3熱管槽溫度調節模塊的研究
　　熱管槽的控溫傳感器采用由線繞元件封裝的三線制(或四線制)A級Pt100鉑熱電阻。根據國家檢定規程《JJG229-2010工業鉑、銅熱電阻》，A級鉑電阻的上限工作溫度只能達到450℃,為保證在550℃.上限溫度長期可靠工作，需通過以下技術途徑進行設計。熱平衡算法研究。基于熱平衡系統遵循牛頓熱力學定律，熱管槽在熱平衡條件下，通過槽內溫度的變化可計算出槽中所儲存熱能的變化，只要隨時彌補這些熱能變化即可保持槽溫的恒定。該方法的優點是避免了PID算法下槽溫的周期性波動。
　　加熱補償法研究:在溫度調節模塊中，增加-一到多個輔助溫度調節回路，提高熱管槽載荷狀態的溫場均勻性;加熱功率細化研究:將主加熱器分為多個加熱元件。熱管在低溫(特別是工作溫度下限附近)工作時，所需加熱功率通常只有全功率的(1.0~10.0)%之間，使控制輸出的動態范圍縮小，相對調節細度變差。在此情況下，改用其中的部分加熱元件加熱，在同樣的加熱功率下，這些負責加熱的元件的相對輸出變大，提高了調節輸出的動態范圍;對電網電壓波動的補償功能研究:常規的溫度調節數學模型是基于被控對象的供電電源電壓恒定不變這一假設的基礎上。電網電壓的波動會作為-種外界擾動作用到閉環調節系統，引起槽溫波動。實時調節的特點在于饋入校準爐的加熱功率是不斷調整、變化的，即使電源電壓穩定，加熱功率也不可能穩定，因此電源電壓的穩定不是必需的條件，關鍵是能夠向被控對象及時提供所需的功率。
P=ρ×U2/R
　　在已知電源電壓U、中間加熱區電阻R的條件下，只要調整占空比ρ，即可得到所需加熱功率P。顯然，電源電壓的波動是可以通過實時算法在很大程度.上進行補償的，這樣一來就不需要在熱管槽的供電環節使用笨重的穩壓電源。
2.4校準爐的研究
　　為有效提升校準爐溫場的均勻性指標，擬采用多溫區爐體結構及溫度控制技術，初步確定采用3個溫區，采用爐管繞絲方案。為保證爐溫場的均勻連續,采用抽頭方式將電加熱部分分為3個加熱區，一個中間加熱區，中間加熱區的兩側分別為兩個輔助加熱區，電路形式上表現為各溫區加熱絲串聯、抽頭,不隔離。.精度高熱電偶校準爐主要技術指標及要求為:工作溫度范圍:(500~1200)℃;有效工作區溫度均勻性:軸向≤0.3℃/60mm，徑向≤0.2℃/φ28mm;溫度波動性:0.1℃/min，0.5℃/10min。
2.5校準爐專用溫度調節模塊研究.
　　研究均溫塊的材料、形狀、安裝方式等，提升校準過程中校準爐的溫場均勻性，減小了被校熱電偶測量結果不確定度，并由此確定最終設計、研制出均溫塊。溫度調節模塊的主要研究內容為以整個工作溫度范圍內的恒溫及溫場最優為目標，基于熱平衡理論的校準爐恒溫調節動、靜態數學模型的建立，及被調節對象(校準爐)固有特性參數的提取與確定。
　　溫度調節模塊設計:設計專用3回路智能調節器，中間加熱區的回路為主調節回路，兩個輔助調節回路分別負責兩輔助加熱區的溫度跟蹤調節，負責保持與.主加熱區溫度之間的溫差范圍。
　　溫度調節算法研究:主調節回路溫度調節算法研究是在分析傳統PID調節理論的基礎上，從傳熱學、能量的視角考慮分析要面對、解決的問題，使用現代嵌入式控制系統和優于傳統PID的先進算法。主調節回路溫度調節算法需分別研究大偏差工況下溫度變化趨勢的動態調節和小偏差工況下溫度波動最小化調節兩方面。
　　熱電偶校準爐固有特性參數的測定:熱電偶校準爐的固有參數系由校準爐的制作材料、工藝決定的。為使校準爐的調節達到最佳效果，有必要對其進行定.義并給出測定方法。需要測定的固有參數有散失功率、熱容量、熱時間常數、熱滯后時間、加熱功率。
2.6精密測溫儀研究
　　目前我國熱電偶自動校準系統所使用的電測設備基本上配制的都是進口6位半至8位半數字多用表,或7位半納伏/微歐表(以下簡稱“數字表”)，這些數表在熱電偶校準過程中對使用環境溫度要求較嚴格,通常為(23±5)℃，而校準爐、熱管爐等恒溫設備均散發熱量，會對數表的使用環境造成影響。精密測溫儀技術指標及要求為:量程:100.0000mV,100.0000Ω,400.0000Ω;分辨力:10nV,1μΩ;精度等級:0.01級;輸入通道數:5通道;使用環境溫度:(5~40)℃。
2.7專用低電勢掃描開關研究
　　專用低電勢掃描開關用于在測量被校熱電偶熱電勢時順序選擇、切換各被校熱電偶的熱電勢信號到精密測溫儀。專用低電勢掃描開關技術指標及要求為:低電勢掃描開關電勢:≤0.2μV;最大被校通道數:12通道;各通道寄生電勢之差:≤0.2μV。
　　專用低電勢掃描開關結構:使用機械結構的低電勢多點轉換開關，通過機械驅動機構的驅動，在不同的位置，接觸不同的通道，達到通道切換之目的。專用低電勢掃描開關擬采用兩個4組12位低電勢開關通過適當的連接而成，可適應不同標準器的接入。
　　低電勢掃描開關寄生電勢測量方法:專用低電勢掃描開關寄生電勢應小于等于0.2μV，測量寄生電勢時使用納伏表進行測試，用直徑為1.0mm2的單芯銅導線分別將各輸入通道端子及輸出端子短路，20min后觀查納伏表是否穩定，待穩定后將納伏表清零，然后用剪線鉗迅速剪斷輸出端子兩端所接短路線。選擇軟件的通訊測試功能，分別切換至掃描開關各檔位，等待60s后讀取該檔位的寄生電勢。
2.8精度高熱電偶校準系統軟件開發
　　軟件開發平臺擬以C#.NET和C++為主，以python等作為輔助開發工具。軟件具有友好的人機交互功能,.可引導操作人員輸入、選擇需要完成的工作及具體細.節，軟件具有較強的容錯能力，可通過各種邏輯校驗與分析，提醒、糾正操作人員的操作錯誤。軟件自動記錄運行過程的各種參數、狀態，包括爐溫及其調節的動態實時數據，被校信息、標準信息、個性化設定參數、測量原始數據等。軟件可將所記錄的各種數據繪制成曲線以便分析。軟件具有數據處理，數據修約功能，包括符合國際溫標的熱電偶、熱電阻分度變換功能、、可追溯的數據計算、處理功能。報表生成，證書自定義與輸出，軟件能夠控制整個校準系統按照.所選檢定規程或校準規范的要求，自動實現所需各校準點的校準工作，并輸出校準結果。
2.9測量不確定度評定
　　以測量不確定度作為理論指導，進行不確定度分析、不確定度分配以及不確定度驗證，明確被校熱電偶的允差，按照校準系統量值溯源比率1/4的要求，計算每個溫度校準點的擴展不確定的要求。通過建立熱電偶校準系統校準過程中被校熱電偶溫度示值偏差的數學模型，并對數學模型進行詳細分析，確定該系統測量不確定度分量的各項來源，并進行分析。對各不確定度分量按照A類或B類方法進行分析、合成，得到各標準不確定度分量。對各標準不確定度分量進行合成，計算合成不確定度,并轉化為擴展不確定度。對于不滿足溯源比率的溫度點，找出其最大不確定度分量，進行必要的調整，包括:提高測量標準的等級、改變電測儀器量程、更換不確定度小的恒溫設備等。重復上述過程，直到各溫度點均滿足量值溯源比率要求。
3結論
　　精度高高溫熱電偶校準系統，包括校準系統各模塊的方案設計及研制、校準軟件的開發、系統組成等，通過對系統的不確定度評估，該系統達到了溫度范圍(300~1200)℃,不確定度U=(0.3~1.0)℃，解決精度高熱電偶量值溯源的問題。