工業(yè)用熱電偶現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)相關(guān)問(wèn)題的探討

王杰 崔超

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院）

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工業(yè)用熱電偶現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)相關(guān)問(wèn)題的探討

王杰 崔超

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院）

摘要：工業(yè)用熱電偶的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)普遍采用干體式溫度校準(zhǔn)爐，與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)所使用的檢定爐存在較大的差異，往往在實(shí)驗(yàn)室檢定合格的工業(yè)用熱電偶，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，誤差卻相差很大。因此，本文從熱電偶的測(cè)溫原理、基本定律、標(biāo)準(zhǔn)儀器等方面對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最終得出影響熱電偶現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的主要因素。

關(guān)鍵詞：工業(yè)用熱電偶 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

1　引言

自從1821年塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熱電偶已經(jīng)成為目前溫度測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的感溫元件之一。其主要優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)溫范圍廣，可以在1K～2800K的廣闊溫域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量；性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠，此外，還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、信號(hào)能夠遠(yuǎn)距離傳送和多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)集中檢測(cè)與控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域中，廣泛地應(yīng)用熱電偶來(lái)測(cè)量溫度［1］。

對(duì)工業(yè)用熱電偶的校準(zhǔn)（300℃以上，以下不做說(shuō)明），在實(shí)驗(yàn)室普遍使用檢定爐、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、測(cè)量?jī)x器等設(shè)備，采用比較的方法進(jìn)行。其中，為了減少導(dǎo)熱誤差，必須保證熱電偶的插入深度，檢定爐的長(zhǎng)度一般為600mm［2，3］；在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍采用干體式溫度校準(zhǔn)爐、標(biāo)準(zhǔn)儀器等設(shè)備，同樣采用比較的方法進(jìn)行。但是，干體式溫度校準(zhǔn)爐的深度基本在200mm左右。那么，干體式溫度校準(zhǔn)爐是否適合于所有工業(yè)用熱電偶的校準(zhǔn)？

2　熱電偶的有關(guān)概念與基本定律［1］

2.1熱電偶有關(guān)概念

2.1.1熱電偶工作原理

由兩種不同金屬或合金A、B組成，如圖1左圖的閉合回路，是最簡(jiǎn)單的熱電偶回路，這兩種不同金屬或合金的組合就稱為熱電偶。

圖1　熱電偶測(cè)溫原理圖

實(shí)際測(cè)溫中的熱電偶回路如圖1右圖所示，A、B稱為熱電極，它們的一端通常焊接在一起形成接點(diǎn)，稱為測(cè)量端（工作端或熱端），而另一端稱為參考端（自由端或冷端）。測(cè)溫時(shí)，將熱電偶的測(cè)量端置于被測(cè)溫場(chǎng)中，其參考端恒定在某一溫度下（通常為0℃），然后通過(guò)連接導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x表相連。由于熱電偶兩端所處的溫度不同，在熱電偶回路中就有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。用測(cè)量?jī)x表測(cè)得電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值后，便可間接知道相應(yīng)的溫度或者直接由測(cè)量?jī)x表指示出溫度。

2.1.2熱電偶回路中的總熱電勢(shì)

熱電偶回路中的總熱電勢(shì)為接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)的疊加。通過(guò)一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算后，可以得到以下幾個(gè)重要結(jié)論：

（1）熱電偶回路中總的熱電勢(shì)的大小與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀和幾何尺寸無(wú)關(guān)。熱電偶回路中總熱電勢(shì)的方向與熱電偶兩端溫度有關(guān)。由于溫差電勢(shì)較接觸電勢(shì)小得多，故總熱電勢(shì)方向就是測(cè)量端接觸電勢(shì)的方向。

（2）如果熱電偶的兩極材料相同，則兩接點(diǎn)處的接觸電勢(shì)等于零，而兩熱電極的溫差電勢(shì)大小相等，方向相反，回路中總熱電勢(shì)等于零。如果熱電偶兩端溫度相同，則兩熱電極的溫差電勢(shì)等于零，而兩接點(diǎn)處的接觸電勢(shì)大小相等，方向相反，回路中總熱電勢(shì)也等于零。因此，只有當(dāng)熱電偶兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)才有熱電勢(shì)產(chǎn)生。

（3）若組成熱電偶的材料一定，則熱電偶回路中總熱電勢(shì)的大小僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，也就是說(shuō)：熱電勢(shì)是兩接點(diǎn)溫度的函數(shù)，其大小為兩個(gè)接點(diǎn)溫度的函數(shù)差。如果想辦法使熱電偶參考端溫度保持恒定，總熱電勢(shì)只與測(cè)量端溫度有關(guān)，成單值函數(shù)關(guān)系。熱電偶回路中的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系稱為熱電偶的熱電特性。

2.2基本定律

2.2.1均質(zhì)導(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成的閉合回路，不論導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的截面和長(zhǎng)度如何以及各處的溫度分布如何，都不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。

2.2.2中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料，只要這第三種金屬材料兩端的溫度相同，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)保持不變，不受第三種金屬接入的影響。

利用熱電偶的這個(gè)特性，可以在熱電偶回路中引入各種測(cè)量?jī)x表和連接導(dǎo)線，而且也可以采用各種焊接方法來(lái)焊接熱電偶，只要保證中間導(dǎo)體本身兩端溫度相同，就不致影響熱電偶的熱電勢(shì)值。同時(shí)，根據(jù)這個(gè)基本定律，還可以利用開路熱電偶測(cè)量液態(tài)金屬和金屬壁面的溫度。

2.2.3參考電極定律

若將某一熱電極作為參考電極（也稱標(biāo)準(zhǔn)電極），若已知參考電極與各熱電極組合配對(duì)時(shí)的熱電勢(shì)，則可求出這些熱電極彼此任意組合時(shí)的熱電勢(shì)。

2.2.4連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律

在熱電偶回路中，如果熱電極分別與連接導(dǎo)線相連接，則回路中的總熱電勢(shì)等于熱電偶的熱電勢(shì)與連接導(dǎo)線的熱電勢(shì)的代數(shù)和。

連接導(dǎo)線定律為在工業(yè)測(cè)溫中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。這樣，只要選配與熱電偶的熱電特性相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，便可使熱電偶的參考端遠(yuǎn)離熱源而不影響熱電偶的測(cè)溫準(zhǔn)確性。

中間溫度定律為使用分度表奠定了理論基礎(chǔ)。根據(jù)這個(gè)定律，只要知道參考端溫度為0℃時(shí)的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系，則參考端溫度不等于0℃的熱電勢(shì)都可求出；反之，若已知參考端溫度不為0℃時(shí)的熱電勢(shì)值，也可以求出參考端為0℃時(shí)的熱電勢(shì)值。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)溫時(shí)，常用此公式來(lái)修正參考端的溫度。

3　實(shí)驗(yàn)過(guò)程描述

3.1實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

采用Fluke744作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器，通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線與被校熱電偶連接，組成測(cè)量電路，根據(jù)中間導(dǎo)體定律與連接導(dǎo)體定律，該測(cè)量電路不影響熱電偶的測(cè)溫。選取的被校熱電偶，如表1所示，分別在干體式溫度校準(zhǔn)爐Fluke9173（自帶L型精密鉑電阻參考測(cè)溫儀）以及臥式檢定爐中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。恒溫設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如下：

（1）干體式溫度校準(zhǔn)爐Fluke9173：測(cè)量范圍為50～700℃，井深為203mm；

（2）臥式檢定爐：測(cè)量范圍為300～1200℃，長(zhǎng)度600mm。

表1　實(shí)驗(yàn)所選取的熱電偶的技術(shù)參數(shù)

圖2　實(shí)驗(yàn)所使用的恒溫設(shè)備

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照上面的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，本文分別得到了不同型號(hào)的熱電偶在不同的恒溫設(shè)備中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（注：在臥式檢定爐中的插入深度均為300mm）。將同一根熱電偶在不同的恒溫設(shè)備中的測(cè)量數(shù)據(jù)整理成表格，如表2所示。

表2　同一根熱電偶在不同恒溫設(shè)備中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)單位：℃

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與問(wèn)題探討

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比在插入深度為200mm左右的干體式溫度校驗(yàn)爐中的校準(zhǔn)結(jié)果與在插入深度為300mm左右的臥式檢定爐中的校準(zhǔn)結(jié)果的差值，可以得到以下結(jié)果：

長(zhǎng)度在400～1000mm的鎧裝熱電偶與長(zhǎng)度在600mm以下的工業(yè)熱電偶，差值比較??；長(zhǎng)度在600～1000mm的工業(yè)熱電偶，差值比較大。并且該差值隨著熱電偶長(zhǎng)度的增加而增大，隨著實(shí)驗(yàn)溫度點(diǎn)的增加而增大。

根據(jù)熱電偶的均質(zhì)導(dǎo)體定律，有以下幾個(gè)結(jié)論［1］：

（1）如果熱電偶是由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，則熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，而與沿?zé)犭姌O的溫度分布無(wú)關(guān)。

（2）如果熱電偶的熱電極是非均質(zhì)導(dǎo)體，則相當(dāng)于不同性質(zhì)熱電極構(gòu)成的熱電偶。在不均勻溫場(chǎng)中測(cè)溫時(shí)將造成測(cè)量誤差。

對(duì)照結(jié)論（1）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)矛盾：熱電偶的熱電勢(shì)值與插入溫度源中的長(zhǎng)度有關(guān)，而非結(jié)論（1）所描述。

對(duì)照結(jié)論（2）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文對(duì)所選用的熱電偶材質(zhì)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)熱電極為均質(zhì)導(dǎo)體。本文又對(duì)插入臥式檢定爐中的深度縮短至200mm左右，結(jié)果得出與干體式溫度校驗(yàn)爐同樣的數(shù)據(jù)。

綜上分析，本文得到以下結(jié)論：

（1）熱電偶在校準(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)結(jié)果與插入深度有關(guān)。不論在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)還是實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)，容易受環(huán)境溫度等外界條件的影響，也就是說(shuō)溫差電勢(shì)與接觸電勢(shì)相比，占據(jù)比較大的比例，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出可以忽略的程度，只有保證了足夠的插入深度，才可以降低溫差電勢(shì)。因此，我們必須嚴(yán)格按照J(rèn)JG 351—1996《工業(yè)用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》以及 JJF 1262—2010《鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》的要求進(jìn)行，否則將產(chǎn)生比較大 的偏差。

（2）鎧裝熱電偶在校準(zhǔn)時(shí)，對(duì)溫度源的穩(wěn)定性要求比較高，JJF 1262—2010明確要求要配備均溫塊進(jìn)行校準(zhǔn)。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，干體式溫度校驗(yàn)爐雖然滿足了插入深度的要求，但是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件往往比較惡劣，導(dǎo)致校驗(yàn)爐內(nèi)溫度波動(dòng)比較大，進(jìn)而產(chǎn)生比較大的偏差。

（3）工業(yè)熱電偶的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)存在比較麻煩的問(wèn)題，JJG 351—1996中明確規(guī)定熱電偶的插入深度在300mm及以上，而目前干體式溫度校驗(yàn)爐的井深均在250mm以下。因此，對(duì)于長(zhǎng)度在600mm及以上工業(yè)熱電偶，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)是不合適的，存在比較大的偏差；對(duì)于600mm以下的工業(yè)熱電偶，本文認(rèn)為可以嘗試使用配置標(biāo)準(zhǔn)參考溫度計(jì)的干體式溫度校驗(yàn)爐進(jìn)行，如果偏差過(guò)大，還需實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

［1］李吉林，汪開道，張錦霞，等. 溫度計(jì)量［M］. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1999.

［2］JJF 1262—2010 鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范

［3］JJG 351-1996 工業(yè)用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程

Discussion on the Related-problems of Industrial Thermocouple Field-calibration

Wang Jie，Cui Chao
（ Zhejiang Province Institute of Metrology ）

Abstract:Dry style temperature calibration oven was universally adopted for industrial thermocouple fi eld-calibration，but in laboratory，we usually used horizontal test oven，there were several differences between them. A qualified industrial thermocouple tested in laboratory was always not qualifi ed on fi eld. So，the article investigated the problem from the following aspects，such as the principle of thermocouple temperature-measurement，the basic laws of thermocouple，standard equipments used in the testing. At last，the factors which effected industrial thermocouple fi eldcalibration were obtained.

Key words:industrial thermocouple，fi eld-calibration