論補償導線對熱電偶檢測結果的影響

摘要:主要論述了長型熱電偶(大于750mm)和短型熱電偶(小于或等于750mm)在周期檢定過程中的不同之處。如果兩者都用常規的接線方法進行檢定,結果會發現短型熱電偶比長型熱電偶的修正值偏大，從而導致短型熱電偶合格率降低。為了在計量測試中保證檢測質量,提高檢定精度，采用244-03型智能熱工儀表裝置對短型和長型熱電偶進行了反復測試、對比試驗,發現短型熱電偶在檢測和工業計量測試中必須加接相應的補償導線,這樣才能保證檢測和測試數據真實可靠。補償導線用于短型熱電偶的檢定和測試工作已經在中原油田很多單位得到了應用。
1問題的提出
　　1997年初單位配備了一套智能熱工儀表檢定裝置,對二等鉑銠10鉑熱電偶"標準裝置進行了重新建標。該裝置具有采集與處理自動完成控溫精度高、檢定效率高等優點。但是在對一大批廉金屬熱電偶進行周期檢定時,按常規的接線方法檢定,結果發現同一型號的熱電偶短型熱電偶比長型熱電偶合格率低。針對這一問題,對熱電偶的接線方法進行了分析并加以改進。
2理論分析
　　自從塞貝克發現熱電效應以來,熱電偶已經成為目前溫度測量領域中應用最廣泛的感溫元件之一,它具有測溫范圍廣、性能穩定、準確可靠、結構簡單熱慣性小動態響應速度快、信號能夠遠傳和多點測量等優點。其工作原理如下:由兩種不同金屬或合金組成如圖1所示的閉合回路,是最簡單的熱電偶回路，這兩種不同金屬或合金的組合就稱為熱電偶。
 
　　實際測溫中的熱電偶回路如圖2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1,稱為測量端(I作端或熱端)。而另一端接點2稱為參考端(自由端或冷端)。測溫時,將熱電偶的測量裝置置于被測溫場中,其參考端恒定在某一溫度下(通常0℃),然后通過連接導線與測量儀表相連。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勢產生,用測量儀表測得電動勢的數值后,便可以知道相應的溫度或者直接由測量儀表指示出溫度。
　　二等標準熱電偶證書值及熱電偶分度表[31都是在參考端為0℃時給出的,故檢定時參考端溫度未處于0℃,必須進行參考端溫度修正。根據熱電偶溫差測溫工作原理可得修正公式為：
E(t,t0)=E(t,t1)+E(t1,t0)
式中，E一熱電偶的熱電動勢;
t一熱電偶的測量端溫度;
t0一熱電偶的參考端溫度0℃;
t1一檢定熱電偶的參考端所處的溫度。
　　從該式可以得知，熱電偶的熱電動勢與熱電偶.測量端和參考端的溫度有關。熱電偶測量端處于爐中心的同一平面內,微機采集的溫度t就是電偶本身測量端的溫度,它不受電偶長短的影響。而參考端溫度1則不一樣,短型熱電偶裝入管式爐后,其參考端距離爐口較近,即使用高鋁棉封口，爐內仍有熱量散出,通過對流方式使參考端溫度升高。另外由于短.型熱電偶長度短,熱量通過偶絲傳導也加劇了參考端的溫升。在實際檢定過程中,熱電偶參考端溫度一般在40~80℃,修正項E(t1,t0)應為電偶在此溫度下的熱電動勢值。然而現有的檢定裝置進行參考端溫度修正時,采用SWC數字式集成溫度傳感器AD590為測溫元件,以參考端周圍空氣溫度(即穩定室溫)進行修正,微機處理時仍將室溫下的修正值E(t1,t0)帶入公式進行計算。因為溫度有偏差,導致E'(t1,t0)<E(t1,t0)。即代入公式進行運算的修正值小于實際值。所以修正后熱電勢值E'(t1,t0)<E(t1,t0)。而長型熱電偶的參考端離檢定爐口較遠,穩定室溫與參考端實際溫度相同,這樣修正后熱電動勢值就是真值,即E'(t1,t0)=E(t1,t0)。對于短型熱電偶在檢定過程中，在其參考端接上相應型號的補償導線,見圖3。
 
　　這種補償導線由兩根不同材質的廉價金屬絲組成,且在較低的一定溫度范圍內(0~100℃)和所連接的熱電偶具有相同的熱電性能。用它來做短型熱電偶的延長導線,就意味著將熱電偶進行了廉價的加長處理，又不影響熱電偶輸出的熱電動勢值。經過上述加接補償導線的短型熱電偶與長型熱電偶檢定后的數據一樣真實可靠。
3試驗分析
　　采用一只二等標準熱電偶,在現有的ZRJ-03型智能熱工儀表檢定裝置進行一批熱電偶的周期檢定,被檢K型熱電偶在使用和不使用補償導線的檢測數據見表1、表2。
 
 
　　從表1、表2可看出:未使用補償導線的情況下,長型熱電偶比短型熱電偶示值結果誤差小,長型熱電偶比短型熱電偶合格率高。使用補償導線的情況下,長型熱電偶的示值誤差基本不變,而短型熱電偶的示值誤差有較大變化,致使原來不合格的熱電偶變成合格了,提高了檢定合格率。從試驗結果分析，長型熱電偶在檢定過程中不用接補償導線,短型熱電偶必須在檢定時加接補償導線。另外表1表2的數據顯示,對短型熱電偶所采集的熱電動勢值經修正處理后全部低于實際值,經微機處理的結果是負誤差，這與理論分析得出的E'(t,t0)<E(t,t0)完全吻合。在短型熱電偶的檢定過程中，參考端加接相應的補償導線,在其與熱電偶冷端接點處的溫度不超出0~100℃范圍,完全可以看作將原熱電偶加長,補償導線末端成為新的參考端,距離檢定爐口和工作端均較遠,有效的防止了參考端溫升引起的檢定誤差。在這種情況下,由現有檢定裝置的參考端溫度測量方式進行補償是可行、有效的。
4結論
　　短型熱電偶在檢定過程中和實際使用時應加接一定長度的補償導線,減少測量誤差,獲得準確的溫度參數,進行科學的溫度控制。檢定過程中使用補償導線要注意以下幾點:
(1)各種補償導線只能與相應型號的熱電偶配.用;
(2)各種補償導線有正負極之分,使用中極性.不能接錯;
(3)待檢熱電偶長度不小于380mm,加接補償導線后總長度不小于750mm;
(4)熱電偶與補償導線接點處的溫度應在0~100℃范圍內;
(5)使用的補償導線必須是檢定合格,僅限于檢定工作II級允差的熱電偶;
(6)避免室內溫度波動對參考端的溫度值采集產生影響。