熱電偶校準參考端溫度的合理選擇

一、規(guī)程對參考端溫度的規(guī)定
       對儀器示值的檢定或校準，是將儀器與一個精度高的標準直接或間接的比較過程。儀器的示值特性可以描述為
y=ƒ(x1,x2,....,xn)
式中:y----輸出值;x1....,Xn--明顯影響輸出值的輸入?yún)?shù)。
       作為評價儀器合格與否的檢定工作，必須對x1，....,xn所有輸入?yún)?shù)在標稱工作范圍內(nèi)的有效組合下進行測量,才能評價儀器是否合格或超差。如果對每個輸入?yún)?shù)xi取ki個檢測點，則總共.有k1,k2......,kn個輸入?yún)?shù)的組合，顯然多元輸入?yún)?shù)儀器的檢測工作量是很大的,減小ki值或?qū)σ恍┹斎雲(yún)?shù)取固定值,可以簡化檢測工作，但同時也會帶來評價不全面的問題。
       在不考慮不均勻電勢等因素影響的情況下，理想熱電偶的熱電勢e是其兩端溫度的二元函數(shù),即e=ƒ(t,tr)。式中,t和tr分別是測量端溫度和參考端溫度。顯然,只，有在tr確定的情況下,e和t才有確定的關(guān)系,才便于測量溫度。另外,熱電偶的示值誤差是以分度表的數(shù)據(jù)為基準的,而分度表(或其多項式)的參考端為0℃,故現(xiàn)行熱電偶檢定規(guī)程均規(guī)定,檢定時參考端溫度為0℃(B偶要求可較寬)。若實際使用的熱電偶參考端不是0℃就需要對參考端溫度t,進行修正或補償。
二、借用中間溫度定律補償存在的問題
       圖1~圖5是參考端溫度的幾種不同補償方式(其中,補償導線的影響與本文內(nèi)容無關(guān)，看做是熱電偶的一部分，省略沒畫出)。
       圖1使用了0℃恒溫器，其參考端溫度為0℃,所測量的熱電勢不需要修正,但采用0℃恒溫器成本太高且不方便，只有在檢定和校準實驗室以及少數(shù)實際使用場合下才采用這種補償。

       圖2~圖5沒有使用0℃恒溫器，其中圖2是手動補償,圖3~圖5是自動補償,如今的溫度儀表多采用圖5的補償方式。圖2~圖5本質(zhì)上都是將參考端放置在--個比較穩(wěn)定的溫度tr下進行補償?shù)摹Ｍㄟ^查表、電路產(chǎn)生測量轉(zhuǎn)換，模擬出-段測量端溫度為tr參考端為0℃的熱電偶,和實際熱電偶串聯(lián),把實際熱電偶的參考端溫度從t,模擬到0℃,并“借用”中間溫度定律,測量出實際溫度t:
e(t,tr,0℃)=e(t,tr)+e(tr,0℃)(1)
       式中:e(t,tr,0℃)一儀表在顯示溫度之前所得到的總熱電勢;e(t,tr)-熱電偶自身產(chǎn)生的熱電勢;e(tr,0℃)-補償產(chǎn)生的電勢。e(tr,0℃)只與分度號及tr,有關(guān),與具體熱電偶特性無關(guān)，在不考慮tr,測量誤差和補償電路本身產(chǎn)生的誤差的情況下,e(tr,0℃)理論上等于溫度I,對應(yīng)的分度表電勢值，并沒有包括熱電偶在(tr,0℃)溫度段的實際誤差值即利用式(1)所進行的補償,除非通過實際測量得到e(tr,0℃)值,否則用式(1)中間溫度定律只能是理想化的近似補償,這將導致檢測和實際使用兩種場合下的量值復現(xiàn)偏差。
三、不同參考端溫度下熱電偶量值復現(xiàn)偏差測量實例
       下面通過實際測量不同參考端溫度時的誤差，進-步說明量值復現(xiàn)偏差。其中,參考端為0℃的誤差是按照規(guī)程測量得到的;參考端為23℃和50℃的誤差用于代表實際使用條件下的誤差，它根據(jù)式(1)中間溫度定律“補償”到0℃。
       為測量方便,被測熱電偶選用長度為3m以上的聚四氟乙烯或不銹鋼鎧裝型熱電偶。不用溫場差的熱電偶檢定爐,測量端和參考端均用精密恒溫槽,恒溫槽指標為:波動度為0.003℃、均勻度為0.01℃;標準器用二等鉑電阻溫度計;電測儀器為2182A數(shù)字納伏表,配用B365型低電勢轉(zhuǎn)換開關(guān)，實測B365寄生電勢小于0.2μV;熱電偶參考端和轉(zhuǎn)換開關(guān)的連接導線為全新純銅導線,其熱電勢實測小于0.005μV/℃。
       測量時，熱電偶測量端和一支標準鉑電阻一起插入油槽,并始終保持固定不動，參考端和另一支標準鉑電阻一起插入低溫槽或水槽中，測量端和參考端插入深度均為30em。依次設(shè)置測量端溫度為100℃和200℃,參考端溫度為0℃、23℃C和50℃。對每一溫度點在恒溫時間大于1h后才開始測量。測量數(shù)據(jù)用計算機正確計算,包括恒溫槽溫度、補償電勢值溫度誤差值等。表1是許多測量中的其中-組I級KJ、E分度號熱電偶的測量結(jié)果。
       由表1可見,在相同測量端溫度下,參考端23℃和50℃的誤差相對于參考端09C誤差的偏差分別達到0.1℃~0.3℃和0.1℃~0.5℃。偏差值和具體的熱電偶有關(guān),有些熱電偶實測的偏差值比表1還要大。

四、校準時參考端溫度的合理選擇
       通過以上分析和實際測量說明:檢測時和使用時參考端溫度不同,會產(chǎn)生量值復現(xiàn)偏差。檢定必須執(zhí)行檢定規(guī)程,參考端只能是0℃;校準沒有法制性要求,方法可以比較靈活。如果能知道熱電偶實際使用時的參考端(平均)溫度,并選用此溫度作為校準時的參考端溫度,則最能體現(xiàn)量值溯源的實際情況，減小量值復現(xiàn)偏差。
       但實際使用下的參考端溫度，校準機構(gòu)和用戶都難以知道。根據(jù)資料,全國主要城市的年平均氣溫都在0℃以上。故實際使用的工作用熱電偶，參考端處于平均室溫附近或更高溫度(熱電偶主要用于加熱設(shè)備)的機會遠遠高于處于0℃的機會。在難以知道實際使用的參考端溫度的情況下，選擇當?shù)?平均)室溫附近的溫度(如23℃±59℃)作為校準時的參考端溫度,總體校準結(jié)果將比參考端在0℃下更為符合實際情況?；蛘哒f,對于熱電偶校準,參考端可以選擇-個溫度處于室溫附近的恒溫器,只要其溫場性能滿足要求,不一定要選擇0℃恒溫器。并且選擇室溫附近的恒溫器還有以下優(yōu)點:
(1)適用較粗、較短的熱電偶校準。由于較粗、較短的熱電偶的參考端很難直接按規(guī)程要求插到冰點瓶中,與其用補償導線引到0℃恒溫器,不如用補償導線引到一個穩(wěn)定的室溫附近的恒溫器中，這樣補償導線兩端的溫差較小，由補償導線引入的誤差就比較小。
(2)室溫附近的恒溫器比較容易獲得。例如,用高導熱系數(shù)材料(如純鋁)容易制作-款室溫下溫場均勻度很高和穩(wěn)定度良好的恒溫器，可供校準裝置使用,省去冰點瓶制冰、刨冰和維護的麻煩。
五.結(jié)束語
       現(xiàn)行熱電偶檢定規(guī)程要求檢定時參考端溫度為0℃,但實際使用時參考端溫度通常不是0℃,參考端溫度不同會導致檢測和使用兩者的量值復現(xiàn)偏差。以熱電偶實際使用條件下的參考端溫度作為校準時的參考端溫度是最為嚴謹?shù)倪x擇。
       用實驗室環(huán)境溫度(如23℃±5C)作為校準時參考端溫度,在通常情況下比用0℃更接近實際情況，也是一種合理選擇，不僅容易獲得校準時的參考端恒溫器，還可以減小量值復現(xiàn)偏差,使校準數(shù)據(jù)更具有實際意義。