工業熱電偶冷端補償及檢定技術研究

[摘要]論文介紹了工業熱電偶的分類方法和冷端補償方法,并針對熱電偶在測量過程中參考端的特殊要求,根據工業熱電偶相關檢定規程介紹了熱電偶檢定中需要的主要檢定設備和常用的檢定方法。對熱電偶進行正確檢定以保證溫度量值的正確和統一,在溫度計量的源頭把好質量關是非常必要的。
引言
　　溫度是物理學中最常用的物理量之一,其對工業制造及科學發展起到至關重要的作用。同時,其也是工業制造業中的重要T藝參數”。在物理學上,物質的各個屬性及大自然規律性均同溫度關系密切,伴隨科學在工業生產中的作用愈發顯著,溫度的計量體現出更關鍵的科研價值。另外,其附帶產品溫度傳感器應運而生并在工業生產中發揮著重要效能,它們的測量精準度對工業制造的效率及品質產生巨大影響。
在常規的工業化生產中,熱電偶溫度傳感器運用最為廣泛。其不僅在石油加工、化學、能源、軍工、航天等領域被普遍運用,另外,在醫學設備、科研儀器、電子計量、制藥生產、家用電器及汽車制造中,該傳感器被負于重任。
1熱電偶分類
　　通常意義上,熱電偶有標準熱電偶及工作用熱電偶之分。前者研究早,應用廣泛,在工藝生產上相對穩定,通常具備批量產出的規模,--般該熱電偶的性能有目共睹。由此,其也被列人工業生產的標準文件中,分度上--致性良好,國際統--。標準熱電偶通常有八類:鉑鍺10-鉑熱電偶(S型)、鉑鍺13~鉑熱電偶(R)、鉑鍺30-鉑銠6熱電偶(B型)、鎳鉻-鎳硅熱電偶(K型)、鎳鉻硅-鎳硅熱電偶(N型)、銅-銅鎳(康銅)熱電偶(T型)、鎳鉻~銅鎳(康銅)熱電偶(E型)、鐵-銅鎳(康銅)熱電偶((J型)。其中,貴金屬熱電偶有三類,分別是S,R,B,廉金屬熱電偶有五類,分別是K,N,E,J,T。非標準熱電偶通常可進行特殊環境下的溫度計量,分度表并不固定。
2熱電偶冷端補償
　　根據熱電偶的物理學機理,其熱電動勢的高低等于測量前端溫度及冷端溫度的差值,為確保熱電動勢與待測溫度呈線性關系,務必要讓冷端溫度維持固定”。熱電偶的分度表是以冷端溫度為零度為前提的。以分度表刻度的溫度顯示設備亦是如此。實際操作中,測量時冷端無法保證等于零度,所以務必要運用某些數學補償及邏輯修正的手段來去除冷端溫度不穩定所造成的影響。一般的冷端補償手段包括:冰點法、溫度補償法、補償導線法、電橋補償法。
(1)冰點法
　　顧名思義,此方法是把熱電偶的冷端置于冰水混合物的器皿中,讓冷端溫度維持在0C。當然,由于操作不便,此方法僅可用于實驗室環境。
(2)溫度補償法
　　我們假設熱電偶測量前端溫度是t,而冷端溫度為t0(不等于0度),此時得到熱電偶的輸出電勢是E(t,t0)。依據中間溫度定律,可以熱電偶的輸出熱電勢通過數學運算轉換為冷端為零度的值,邏輯關系為E(,0)=(t,t0)+E(t,0)。通常方法補償過程中,要先獲得冷端溫度to,繼而查詢分度表獲得E(,0),同時參照上式運算獲得E(t,0),二次查詢分度表測得相應溫度值。在自動測溫中此方法被廣泛應用。
(3)補償導線法
　　在熱電偶冷端溫度非0℃情況下,為更好地補償,可以同熱電偶材質物理屬性類似的導線把其冷端延長到測量設備的接線端。此時用到的補償導線僅是把冷端延伸至固定溫度環境下的接線端,它本身并無法去除冷端溫度的不確定性,不具備補償效能。所以在冷端溫度非0℃情況下,還要求運用冰點法或熱電勢補償法等手段來修正測量時由于冷端非零引發的不穩定性。
3熱電偶的檢定
　　為保證熱電偶在制作及研發時維持最大限度的正確性,針對新制作的熱電偶,務必要進行嚴格的檢定,達標后方可用于流入市場;而正常使用的熱電偶,因為它的熱電屬性會因為自然因素、人為因素等發生改變,所以也應當定期進行檢定,要繼續測量必須達標。因為熱電偶有貴金屬及廉金屬兩類,檢定過程中要參照的規則也不盡-致。而對貴金屬熱電偶,參照JJG141-2013《工作用貴金屬熱電偶檢定規程》,務必要先對熱電偶外觀先行檢定,繼而清洗退火,最后參考規程要求的檢定點(S和R型檢定點為:鋅(419.527℃、鋁(660.323℃、銅(1084.62℃凝固點;B型為:1100℃,1300℃,1500℃)和檢定形式展開系統控溫及數據收集等環節4。而針對廉金屬,參照JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規程》,也務必要對其外觀例行檢定,而新生產的要進行退火操作,使用中的無需退火,而它的檢定溫度點是參照熱電偶絲的材質及電極規格來定級的。
3.1主要檢定設備
　　工作用貴金屬熱電偶檢定儀器詳見表1。
表1工作用貴金屬熱電偶檢定設備

序號	設備名稱	技術要求	用途	備注
1.	標準熱電偶	鉑銠10-鉑熱電偶兩只 鉑銠30-鉑銠熱電偶兩只 鉑銠30-鉑銠6熱電偶兩只
2.	電測儀器	精度高于0.01級 分辨力高于0.1μV	測量熱電偶熱電動勢	可用不低于其精度等級要求的其他電測儀器。
3.	多路轉換開關	寄生電勢及寄生電勢只差小于0.4μV	切換各路熱電動勢。
4.	參考端恒溫器	恒溫器深度不低于兩百毫	熱電偶參考端0℃的恒溫裝置。	可用滿足要求的恒溫槽代替
5.	管式檢定爐	爐長大約六百毫米 爐管內徑大約二十毫米 爐內溫度最高點偏離爐子幾何中心小于二十毫米等	S型熱電偶和R型熱電偶的檢定。	爐管內徑高于20mm的檢定
6.	高溫管式檢定爐	爐長大約六百毫米 爐管內徑大約二十毫米 爐內溫度最高點偏離爐子幾何中心小于二十毫米等	B型熱電偶的檢定。
7.	退火爐	爐長大約六百毫米 爐管內徑大約二十毫米 爐內溫度最高點偏離爐子幾何中心小于二十毫米等	S型、R型、B型熱電偶的退火。
8.	熱電偶通電退火裝置	配備的交流電流表精度不低于0.5級	熱電偶的通電退火。
9.	千分尺	分辨力不大于1μm	偶絲直徑的測量
10.	其它輔助設備	電爐、米尺等

 
而同類型的廉金屬熱電偶檢定儀器通常有:
(1)一等、二等標準的鉑銠10-鉑熱電偶各1個;一套量程-30-到300℃的二等標準水銀溫度計,二等標準鉑電阻溫度儀-組。
(2)一組低電勢直流電位差計,精準度要高于0.02級、最小步進值小于1V,也可以同級別其余儀器代替。
(3)寄生電勢≤1μV的多點轉換開關。
(4)參考端恒溫器,恒溫器內溫度控制在0℃,容差0.1。
(5)有效工作空間里的溫差不高于0.2℃的定溫油槽。
(6)符合檢定標準的管式爐及控溫裝置。
3.2常規的檢定手段
　　根據檢定的要求,現階段工作用的熱電偶溫度計的檢定形式以比較法最為普遍。該方法是運用高端標準及待檢熱電偶直觀對比的一類檢定形式。把標準熱電偶及待檢熱電偶--塊置于檢定爐中,把測量端放在爐內溫場均勻的空間,繼而參照規程要求展開檢定。一般的比較法有兩類:-是雙極法,二是同名極法。
(1)雙極法
　　雙極法是在所有的檢定點進行標準及待測熱電偶電勢值的測量,再運用數學關系獲得它的偏差或相關的熱電勢值回,雙極法檢定接線物理機理見圖1。
 
　　讓爐溫上升到設置好的檢定點,待溫度穩定后開始參照如圖2的次序測量每個熱電偶的熱電勢,總的次數應保持4次以上。
 
　　以雙極法檢定熱電偶在每個特定點上的熱電動勢可以式(1)來進行運算:
此式中:
e_t標為標準熱電偶證書上定義的檢定的設置熱電勢值;
△et為于檢定點周邊測量到的待測熱電偶的熱電勢算術平均值同標準熱電偶此數值的差值。
(2)同名極法.
　　該方法可應用在同類別的熱電偶檢定中,它的物理學機理見圖3。待測熱電偶的電極同測量設備的“+”口連接,標準熱電偶的電極同測量設備的“”口連接。把標準熱電偶同待測熱電偶一塊包裝后置于檢定爐,爐內溫度升至設置的檢定點并趨于恒定,方能進行測量,測量次數原則上應大于4次。