熱電偶檢定校準(zhǔn)及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)

萬(wàn) 利

（河鋼集團(tuán)唐鋼公司信息自動(dòng)化部 河北 唐山 063000）

1 引言

由于熱電偶在電力生產(chǎn)領(lǐng)域以及其他工業(yè)領(lǐng)域有著重要的作用，在目前的測(cè)溫系統(tǒng)中，熱電偶是最為常見(jiàn)的測(cè)溫傳感裝置。各國(guó)、各個(gè)電力生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)τ跓犭娕嫉臏y(cè)溫精度的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，提高熱電偶的精確度也顯得尤為重要。溫度在測(cè)量的情況下一般是瞬態(tài)的，而熱電偶的熱慣性對(duì)于測(cè)溫有著較大的影響，因此出現(xiàn)了比較明顯的溫差現(xiàn)象，這種現(xiàn)象又叫做熱電偶的動(dòng)態(tài)誤差。通過(guò)對(duì)熱電偶的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)以及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，能夠有效地提高測(cè)零溫度的精確性，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程，就需要對(duì)熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征以及傳感裝置的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。在了解了熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性之后，才能了解其工作性能指標(biāo)。如果其性能指標(biāo)在熱電偶的測(cè)溫系統(tǒng)中不符合要求時(shí)候，就需要?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償技術(shù)的支持以及重新設(shè)計(jì)熱電偶。本文主要介紹的是大功率激光器的熱電偶動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)體系，通過(guò)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償來(lái)彌補(bǔ)熱電偶的動(dòng)態(tài)誤差，從而獲取更為準(zhǔn)確的溫度值。

2 熱電偶及測(cè)溫原理

2.1 熱電偶的概念

熱電偶就是一種測(cè)量溫度的元件，在熱電偶的測(cè)溫過(guò)程中，通過(guò)產(chǎn)生的熱電勢(shì)將溫度信號(hào)傳達(dá)出來(lái)，從而獲取被測(cè)對(duì)象的實(shí)際溫度。

2.2 熱電偶的測(cè)溫原理

熱電偶的測(cè)溫原理主要是通過(guò)自身的材料決定的，熱電偶主要是依靠?jī)蓚€(gè)導(dǎo)體或者半導(dǎo)體形成閉合回路，從而測(cè)量出溫度的過(guò)程。熱電偶在工作過(guò)程中，形成了熱電勢(shì)，而這種熱電勢(shì)和熱電偶兩端的溫度不同。熱電偶是有兩種導(dǎo)體材料組成的，把這兩種材料作為熱點(diǎn)及，測(cè)溫過(guò)程中，熱端就是溫度較高的一端，而溫度較低的那一端則為冷端。通常情況冷端是在恒溫的狀態(tài)下，此時(shí)熱電勢(shì)的方向以及大小與兩種導(dǎo)體的特性以及熱端的溫度有著直接的關(guān)系。而被測(cè)的溫度與熱電勢(shì)有著固定的函數(shù)關(guān)系，因此只需測(cè)得熱電勢(shì)的大小，進(jìn)而知道了溫度的大小。熱電勢(shì)的問(wèn)題還應(yīng)注意以下內(nèi)容：

（1） 熱電偶的導(dǎo)體以及兩端溫度的差異，決定著熱電勢(shì)的范圍；（2）熱電勢(shì)是材料兩端溫度形成函數(shù)的差；（3）恒溫下，冷端溫度保持一致，此時(shí)熱電勢(shì)是熱端溫度的單值函數(shù)。

2.3 熱電偶測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)

熱電偶在側(cè)向溫度時(shí)與其他測(cè)溫儀器儀表相比有以下幾種優(yōu)點(diǎn)：

（1）準(zhǔn)確度高。一般熱電偶采用的是誤差較小的K分度熱電偶，其I級(jí)誤差在±0.4%t左右。（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。熱電偶的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，利于維護(hù)和保養(yǎng)，它主要由點(diǎn)擊、絕緣子、接線端子以經(jīng)濟(jì)護(hù)套幾部分組成。（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。由于其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而在測(cè)溫的時(shí)候相應(yīng)的熱電勢(shì)產(chǎn)生不是太多，使得其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比較快。（4）測(cè)溫范圍廣。運(yùn)用比較廣泛的熱電偶一般測(cè)量溫度的范圍在-50～1600℃之間，而有些熱電偶最低測(cè)溫值在-269℃，最高能夠達(dá)到2800℃。

3 影響熱電偶測(cè)溫的因素

3.1 影響熱電偶準(zhǔn)確性的因素

熱電偶可以測(cè)量任何形態(tài)下的物體溫度，所以熱電偶的運(yùn)用非常廣泛，在工作過(guò)程中所形成的非線性特性，它是隨著熱電勢(shì)的增大而增大。因此在實(shí)際的測(cè)量時(shí)，影響熱電偶準(zhǔn)確性的兩種因素是熱電偶的線性化問(wèn)題的處理以及冷端溫度的補(bǔ)償溫度確定性問(wèn)題。

3.2 影響熱電偶穩(wěn)定性的因素

（1）熱電偶中某些元素在使用過(guò)程中造成熱電極的氧化與發(fā)揮；（2）熱電極在使用過(guò)程中受外力影響產(chǎn)生變形；（3）熱電偶在高溫使熱電極中的晶粒變大；（4）工作狀態(tài)下熱電極容易受損。

4 解決熱電偶準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性的方法

4.1 安裝要求

（1）熱電偶的安裝位置應(yīng)于地面保持垂直，盡量避免在高溫下使保護(hù)套管纏身變形（2）如果被測(cè)物體有一定的流速，應(yīng)將熱電偶安裝在管道的中心位置，并與該物體的流動(dòng)方向相反；（3）若管道有彎曲的地方，應(yīng)將熱電偶安裝在彎曲的位置；（4）平直安裝時(shí)，其支架要用耐高溫的材料。

4.2 材料要求

（1）熱電偶的材料在感知溫度的時(shí)候，一般都會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)以及熱電勢(shì)率，熱電勢(shì)與溫度形成線性關(guān)系的單值函數(shù)；（2）熱電偶的材料能夠適用于較廣的溫度范圍以及其他各種條件；（3）熱電偶的材料要具有教導(dǎo)的導(dǎo)電性，電阻以及熱容量要小。

4.3 定期檢查

（1）熱電偶的熱電極應(yīng)沒(méi)有受損情況，且內(nèi)部材料要合格均勻；（2）熱電偶的電極有無(wú)氧化、腐蝕的現(xiàn)象；（3）熱電偶的熱端焊接位置應(yīng)牢固、光滑、無(wú)殘?jiān)?/p>

5 熱電偶的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

本文對(duì)于熱電偶的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)主要是采用大功率的半導(dǎo)體激光器作為研究對(duì)象，利用的是大功率的半導(dǎo)體激光器通過(guò)發(fā)出動(dòng)態(tài)的激勵(lì)信號(hào)，將單脈沖的激光光束經(jīng)過(guò)聚焦后，然后再經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)屏蔽箱的輸入窗口，被校準(zhǔn)的熱電偶通過(guò)加溫，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)的反應(yīng)過(guò)程，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡得出數(shù)據(jù)曲線。這時(shí)熱電偶上的形成熱擴(kuò)散的現(xiàn)象，講這種熱擴(kuò)散經(jīng)過(guò)球面反射于另一個(gè)焦點(diǎn)的紅外探測(cè)器的位置上，紅外探測(cè)器此時(shí)就會(huì)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出曲線情況。此時(shí)，熱電偶與紅外探測(cè)器同時(shí)測(cè)溫，紅外探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)一般低于10μs，熱電偶的頻率響應(yīng)低于紅外想探測(cè)器，所以通常情況下選擇后者的值作為標(biāo)準(zhǔn)值，來(lái)校準(zhǔn)熱電偶的值，并根據(jù)動(dòng)態(tài)存在的誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

6 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

為了解決熱電偶存在溫度不準(zhǔn)確的情況，所以采用對(duì)熱電偶的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)來(lái)糾正溫度，在校準(zhǔn)時(shí)，一定要考慮到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。而熱電偶的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)又分為三個(gè)部分，它主要由被校準(zhǔn)溫度傳感器的靜態(tài)校準(zhǔn)和紅外探測(cè)器、被校準(zhǔn)溫度傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和紅外探測(cè)器以及瞬態(tài)下表面溫度與紅外探測(cè)器組成。在熱電偶溫度校準(zhǔn)時(shí)，建立一個(gè)時(shí)間曲線圖。上文中提到，紅外探測(cè)器獲取的值為準(zhǔn)確的溫度，通過(guò)熱電偶和紅外探測(cè)器的校準(zhǔn)，建立一個(gè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型。通過(guò)這個(gè)模型可以獲取一組函數(shù)，通過(guò)函數(shù)分析減小被校準(zhǔn)溫度的誤差，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

7 結(jié)語(yǔ)

由于熱電偶的優(yōu)點(diǎn)，使其在溫度測(cè)量中被廣泛運(yùn)用。對(duì)于其存在的缺點(diǎn)，在實(shí)際的測(cè)量溫度過(guò)程中，一定要通過(guò)系統(tǒng)的校準(zhǔn)，對(duì)于細(xì)節(jié)一定要把握準(zhǔn)確。通過(guò)了解熱電偶的原理，選擇在測(cè)量溫度時(shí)合適的熱電偶。結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)被測(cè)物的溫度進(jìn)行分析比較，通過(guò)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償確定所需的實(shí)際溫度。掌握正確的校準(zhǔn)方法，加強(qiáng)自身的理論知識(shí)學(xué)習(xí)，才能確保工作中不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，才會(huì)避免質(zhì)量故障的發(fā)生。

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