分度熱電偶時參考端溫度對測量結(jié)果的影響研究

羅小萍

(湖北省計量測試技術(shù)研究院，武漢 430071)

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分度熱電偶時參考端溫度對測量結(jié)果的影響研究

羅小萍

(湖北省計量測試技術(shù)研究院，武漢 430071)

針對校準實驗室在進行工作用熱電偶量值傳遞時，對于熱電偶參考端處于不同溫度下的測量結(jié)果進行了比對，通過熱電偶測溫定律和實驗數(shù)據(jù)分析了熱電偶參考端處于非0℃時的檢測結(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檢測結(jié)果的準確性影響。

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

1 實驗方案

為便于控制影響熱電偶檢測結(jié)果的其他影響因素，被測對象選擇帶延長線的鎧裝熱電偶，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)生位置變動從而避免因檢定爐溫場波動和不均勻性導(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，測量端與參考端溫度的標定均選用準確度較高的精密鉑電阻溫度計。

1.1 實驗用熱電偶

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

1.2 測量設(shè)備技術(shù)參數(shù)

測量設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測量設(shè)備技術(shù)參數(shù)

1.3 實驗溫度的選擇

K型、E型、J型熱電偶實驗溫度選擇在200℃、400℃、600℃，熱電偶參考端分別置于0℃、25℃、50℃溫度下進行測量；T型熱電偶實驗溫度選擇在100℃、200℃、300℃，熱電偶參考端也分別置于0℃、25℃、50℃溫度下進行測量。

2 測量過程

如圖1所示，將被測熱電偶測量端和精密鉑電阻溫度計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.溫度校驗儀；7.干體爐圖1 熱電偶檢測裝置

將另一支精密鉑電阻溫度計2與被測熱電偶的參考端置于0℃恒溫液槽中(鉑電阻溫度計2用于測量參考端溫度)，并分別連接至轉(zhuǎn)換開關(guān)及溫度校驗儀，待爐溫穩(wěn)定后，讀取鉑電阻溫度計1和每支熱電偶測量數(shù)據(jù)。保持干體爐溫度不變，將鉑電阻溫度計2與被測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1和每支熱電偶測量數(shù)據(jù)(包括讀取鉑電阻溫度計2的值并進行補償)。同樣保持干體爐溫度不變，將鉑電阻溫度計2與被測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1和每支熱電偶測量數(shù)據(jù)。

按上述同樣步驟，分別將干體爐升至400℃和600℃，分別測量熱電偶參考端處于0℃、25℃、50℃時的示值，最終計算出每支熱電偶在各測量溫度、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

計算得出3支K型、E型、J型熱電偶在各實驗溫度點和不同參考端溫度下的示值誤差見表2。2支T型熱電偶在各檢測點的示值誤差見表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：給出的實驗數(shù)據(jù)均為兩次測量結(jié)果的平均值。按置信概率95%評估上述實驗方法帶來的測量結(jié)果不確定度約為0.1℃。

以上數(shù)據(jù)可以看出，當熱電偶測量端溫度不變時，熱電偶參考端溫度處于25℃和50℃時運用參考端溫度補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)計見表4、表5。

表4 熱電偶參考端溫度處于非零度 時的復(fù)現(xiàn)偏差 ℃

表5 熱電偶參考端溫度處于非零度 時的復(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償?shù)姆椒ㄟM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℃)時的輸出熱電勢；E(T，Tn)表示熱電偶在兩端溫度為(T，Tn)時的輸出熱電勢；E(Tn，0℃)表示熱電偶在兩端溫度為(Tn，0℃)時的輸出熱電勢。

分度熱電偶時，當參考端溫度為Tn，我們運用式(1)進行參考端溫度補償時加上的E(Tn，0℃)是通過查分度表而得到的值，亦即E(Tn，0℃)只與分度號及Tn有關(guān)，未考慮到熱電偶的分散性，而實際上每支熱電偶在(Tn，0℃)溫度段的輸出熱電勢值并不相同，亦即熱電偶在(Tn，0℃)溫度段的實際誤差值沒有考慮進去，當此項誤差值較大時，采用參考端補償法進行量傳就會帶來較大偏差。

根據(jù)以上分析，我們將上述實驗用的各支熱電偶在25℃和50℃進行了誤差測量，測量時參考端溫度為0℃，測量結(jié)果如表6所示。

表6 熱電偶在25℃和50℃時的測量誤差 ℃

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℃時與參考端溫度處于0℃時的復(fù)現(xiàn)偏差與表6熱電偶在25℃和50℃的示值誤差進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℃時的實際輸出電勢值比分度表的值小，而我們補償時是按分度表的值補償進去的，亦即補償值被人為地增大了1.1℃，使得測量結(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償法測量帶來的復(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用于實際熱電偶量值傳遞中進行參考端溫度(室溫)補償只是一種理想化的近似補償；

2)分度熱電偶時若參考端置于室溫下，測量結(jié)果會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)。當被測熱電偶在室溫下的示值誤差越大，用參考端溫度補償法測量帶來的復(fù)現(xiàn)偏差就越大，反之就越小，且方向相反。

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

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.1.18