熱電偶校準(zhǔn)過程中的不同冷端補(bǔ)償方法

摘要:在K型熱電偶校準(zhǔn)時(shí),由于熱電偶的長度不一,參考端溫度大都處于室溫或者波動的溫場之中,需要將參考端溫度恒定在0℃或采取修正、補(bǔ)償?shù)却胧┻M(jìn)行修正。比較常用的有3種的冷端補(bǔ)償方法,現(xiàn)通過校準(zhǔn)同一支K型熱電偶,對結(jié)果進(jìn)行比較分析,得到這3種方法得出的示值誤差排序。結(jié)果表明,“將參考端采用達(dá)到高一等級的熱電偶精度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器”方法能獲得較為理想的補(bǔ)償效果。
0引言
　　根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，為保證熱電偶測量結(jié)果的正確可靠,新制造和使用中的熱電偶需要進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程中要求熱電偶的參考端引入到冰點(diǎn)恒溫器內(nèi),但是由于熱電偶的長度長短不一,出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被校熱電偶的參考端不能同時(shí)置于冰點(diǎn)恒溫器的情況。而結(jié)果判定的依據(jù)須以參考端為0℃的熱電動勢，因此需要將參考端不為0℃的熱電動勢修正為參考端溫度為0℃的熱電動勢,然后帶人計(jì)算公式中,得到正確的計(jì)算結(jié)果。
1實(shí)驗(yàn)方法
　　在校準(zhǔn)過程中,可以有三種不同的冷端補(bǔ)償方法,現(xiàn)以一支II級工作用K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶為例,長度為1200mm,經(jīng)校準(zhǔn)400℃,600℃,800℃的示值誤差為1.2℃,1.3℃,1.3℃,然后截取長度為600mm為被校熱電偶,實(shí)驗(yàn)條件:實(shí)驗(yàn)室溫度恒定為20℃,濕度為40%RH,通過校準(zhǔn)結(jié)果的計(jì)算分析,討論各種方法的精度。
1.1冷端補(bǔ)償方法一
　　將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內(nèi),被校熱電偶的參考端用到達(dá)K型熱電偶I級精度水平的同極性熱電偶延伸至參考端恒溫器內(nèi)。
采用該方法校準(zhǔn)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于充滿冰水混合物的保溫瓶之中,被校熱電偶的參考端與延長用的1級K型熱電偶同極性各端平行重疊,重疊部分約為10mm,用直徑為0.2mm的漆包銅絲扎緊,困扎圈數(shù)為10圈。得到各校準(zhǔn)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),如表1。
 
　　查閱相關(guān)資料可得,標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在400℃,600℃,800℃的微分熱電動勢分別為9.57μV/℃,10.21μV/°C,10.87μV/C,K型熱電偶在400℃600℃,800的微分熱電動勢分別為42.24μV/℃,42.51μV/℃,41.00μV/℃,則各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差分別計(jì)算如下:
400℃時(shí):
 
1.2冷端補(bǔ)償方法二
　　將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內(nèi),被校熱電偶的參考端用補(bǔ)償導(dǎo)線將其延伸至參考端恒溫器內(nèi)。
　　采用該方法進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于充滿冰水混合物的保溫瓶之中,被校熱電偶采用K型補(bǔ)償導(dǎo)線按照相同極性進(jìn)行連接,將其延伸至充滿冰水混合物的保溫瓶之中,得到各校準(zhǔn)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),如表2。
 
各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差分別計(jì)算如下:
　　400℃時(shí):△t400=1.3℃;600℃時(shí):△t00=1.39℃;800℃時(shí):L8g00=1.4℃。
1.3冷端補(bǔ)償方法三
　　將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內(nèi)，被校熱電偶的參考端放置精密水銀溫度計(jì)進(jìn)行測量并修正。
　　用此方法進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的參考端置于充滿冰水混合物的保溫瓶之中,被校熱電偶的參考端采用經(jīng)檢定合格的精密水銀溫度計(jì)進(jìn)行測量,得到三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表3(已經(jīng)對精密水銀溫度計(jì)引入的誤差進(jìn)行了修正)。
 
　　參考端溫度分別為20.10℃,20.28℃,20.30℃,
　　需要注意的是,示值誤差計(jì)算公式中的熱電動勢要求帶人的是參考端溫度為0℃的數(shù)值,而此種校準(zhǔn)方法得到的被校熱電偶讀數(shù)的參考端溫度不符合要求,因此必須將被校熱電偶的參考端溫度修正到0℃才能帶人計(jì)算公式，否則計(jì)算結(jié)果會出現(xiàn)錯(cuò)誤。
　　查表得在三個(gè)參考端溫度的修正值分別為:0.803mV,0.809mV,0.810mV,因此經(jīng)修正過的被校熱電偶在:
400℃時(shí)電勢值e=15.6678+0.803=16.4708(mV);
600℃時(shí)電勢值e=24.3576+0.809=25.1666(mV);
8009C時(shí)電勢值e=32.5585+0.810=33.3685(mV)。.
　　通過進(jìn)一步計(jì)算可得到各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的示值誤差為:
400℃時(shí):△t400=1.6℃;600℃時(shí):△t600=1.6℃;
800℃時(shí):△t800=1.6℃。
2結(jié)果與討論
　　以上三種方法,綜合得到的結(jié)果見表4。
 
　　由以上數(shù)據(jù)可知,在三種方法中,方法一最接近原始數(shù)據(jù),方法三與原始數(shù)據(jù)的偏差最大。經(jīng)分析，方法一相當(dāng)于直接把被校熱電偶的長度延長,達(dá)到放入?yún)⒖级撕銣仄鞯哪康?數(shù)據(jù)基本一致。
　　方法三的精度最低,因?yàn)橛镁芩y溫度計(jì)進(jìn)行測量并修正，與方法一和方法二相比較,此種方法中被校熱電偶的參考端溫度受到檢定爐周圍空氣溫度變化的影響最大,此時(shí)檢定爐周圍空氣的溫度受檢定爐加熱狀態(tài)的影響而變化,精密水銀溫度測量到的參考端溫度也會隨之波動,而且檢定爐設(shè)定的溫度的升高,由這個(gè)影響量引入的測量誤差也越來越大。
　　同樣的,方法二的測量精度居中的原因也是因?yàn)槭褂醚a(bǔ)償導(dǎo)線延伸了被校熱電偶的長度,使被校熱電偶的參考端溫度受到檢定爐周圍空氣溫度變化的影響減小了很多;主要測量誤差是補(bǔ)償導(dǎo)線的使用。必須注意的是補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶參考端的兩接點(diǎn)溫度不一致容易造成誤差,在校準(zhǔn)過程中應(yīng)該絕對避免，要保證其連接處兩接點(diǎn)溫度相同。
　　因此得出在校準(zhǔn)熱電偶的過程中,必須使用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度補(bǔ)償,而將參考端采用達(dá)到高一等級的熱電偶精度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器的方法能獲得較為理想的補(bǔ)償效果。