檢定S型短型熱電偶的4種不同冷端補償方法

摘要:檢定長(cháng)度在200~700mm范圍內的S型熱電偶時(shí)，由于參考端溫度大都處于室溫或者波.動(dòng)的溫場(chǎng)之中，需要將參考端溫度恒定在0℃或采取修正、補償等措施進(jìn)行修正?，F采取檢定中最常用的4種不同的冷端補償方法檢定同一支S型短型熱電偶,對結果進(jìn)行比較分析，得到這4種不同的冷端補償方法的優(yōu)劣性及其準確度排序。結果表明，“將參考端應用達到一等標準熱電偶準確度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器”方法能獲得較為理想的補償效果。
　　根據我國JJG668-97《工作用鉑銠10-鉑、鉑.銠13-鉑短型熱電偶》檢定規程規定:新制的和使用中的測量溫度范圍為300~1300℃，長(cháng)度在200~700mm范圍內的工作用S型及R型熱電偶簡(jiǎn)稱(chēng)短型熱電偶。由于此類(lèi)型熱電偶的長(cháng)度較為特殊，在檢定的時(shí)候通常難以達到“將標準熱電偶和被檢短型熱電偶的參考端同時(shí)置于參考端恒溫器內”的要求,但是在計算過(guò)程中,必須將參考端溫度不為0℃的熱電動(dòng)勢修正到參考端溫度為0℃的熱電動(dòng)勢帶入公式才能得到正確的計算結果。
1實(shí)驗方法
　　筆者將一支長(cháng)度為1000mm的S型II級工業(yè)熱電偶先在昆明貴金屬研究所檢定,再將此偶送至云南省計量院檢定，檢定結果見(jiàn)表1,取2次檢定結果之平均值為此偶的分度值。然后將其截取為長(cháng)度為480mm的S型短型熱電偶作為被檢定熱電偶，用.編號S209-288的一等標準進(jìn)行檢定。采用實(shí)驗室中常用的4種不同的冷端補償方法，對檢定結果分別進(jìn)行計算并比較，實(shí)驗溫度恒定為20C，濕度恒定為50%。
 
1.1冷端補償方法一
　　將標準熱電偶與被檢短型熱電偶的參考端同時(shí)置于參考端恒溫器內。采用此種方法進(jìn)行檢定時(shí)，標準熱電偶與被檢短型熱電偶的參考端均置于充滿(mǎn)冰水混合物的保溫瓶中。
1.2冷端補償方法二
　　將標準熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內，被檢短型熱電偶的參考端用達到一等標準鉑銠10-鉑熱電偶準確度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器內。采用此種方法進(jìn)行檢定時(shí)，標準熱電偶的參考端置于充滿(mǎn)冰水混合物的保溫瓶中，短型熱電偶的參考端與延長(cháng)用的達到一等標準鉑銠10-鉑熱電偶準確度水平的同極性熱電偶絲各端平行重疊，重疊部分約10mm,用直徑為0.2mm的漆包銅絲扎緊，捆扎圖數為5圈。
1.3冷端補償方法三
　　將標準熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內，被檢短型熱電偶的參考端運用補償導線(xiàn)將其延伸至參考端恒溫器內。采用此種方法進(jìn)行檢定時(shí)，標準熱電偶的參考端置于充滿(mǎn)冰水混合物的保溫瓶中，短型被檢熱電偶的參考端采用相同分度號的S型補償導線(xiàn)按照相同極性進(jìn)行連接，將其延伸至充滿(mǎn)冰水混合物的保溫瓶中，并提前對補償導線(xiàn)引入的誤差進(jìn)行修正。
1.4冷端補償方法四
　　將標準熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內，被檢短型熱電偶的參考端用精密水銀溫度計進(jìn)行測量并修正。采用此種方法進(jìn)行檢定時(shí),標準熱電偶的參考端置于充滿(mǎn)冰水混合物的保溫瓶中,短型被檢熱電偶的參考端采用經(jīng)檢定合格的精密水銀溫度計進(jìn)行測量，同時(shí)需要對精密水銀溫度計引入的誤差進(jìn)行修正。
2結果與討論
　　采用4種不同的冷端補償方法進(jìn)行檢定，得到鋅、鋁及鋼的3個(gè)固定點(diǎn)溫度的實(shí)驗數據如表2~5所示。
　　據檢定規程,S型熱電偶分度表中鋅、鋁及銅3個(gè)固定點(diǎn)溫度的熱電動(dòng)勢分別為3.447.5.860和10.575mV;其與鋅、鋁及銅3個(gè)固定點(diǎn)溫度相對應的微分熱電動(dòng)勢值分別為9.64、10.40和11.80μV/C。則各個(gè)固定點(diǎn)的示值誤差分別計算如下:
 
　　式中，`E<sub>t被</sub>檢定熱電偶讀數平均值，Et標--標準熱電偶證書(shū)值,`E_t標一標準熱電偶讀數平均值,E1分一分度點(diǎn)熱電動(dòng)勢值,St一分度點(diǎn)微分熱電動(dòng)勢值。
 
 
 
　　需要注意的是:示值誤差計算公式中的熱電動(dòng)勢要求帶入的是參考端溫度為0℃的數值，而方法四得到的被檢熱電偶的讀數的參考端溫度卻不符合要求,因此必須將被檢熱電偶的參考端溫度修正到0℃才能帶入公式計算，否則計算結果會(huì )產(chǎn)生錯誤。中間溫度定律指出:如果A與A',B與B’的材料相同，且接點(diǎn)溫度都是T,Tn,T0時(shí)，則
EABr,T,,T)=EAB(",T,)+EAR(,T)(4)
　　在實(shí)驗中得到被檢熱電偶的讀數平均值其實(shí)是EAB(T,Tn)，但通過(guò)經(jīng)檢定合格的精密水銀溫度計能夠準確地測量出熱電偶的實(shí)際非零的參考端溫度Tn，還可以通過(guò)S分度表查找出EAB(Tn,T0)的數值，統統帶入式(4)便可得到被檢熱電偶在參考端溫度為0℃時(shí)的熱電勢修正值,即:
EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn，T0)
　　由此得E在3個(gè)固定點(diǎn)溫度的修正值如下:
 
　　采用4種不同的冷端補償方法檢定S型短型熱電偶的結果與被檢偶的原始檢定結果比較見(jiàn)表6。
 
　　從理論上,講方法一的檢定結果準確程度最高，因為在一個(gè)標準大氣壓下，冰和純水的平衡溫度為0℃，雖然實(shí)驗室中用清沽的水和冰屑相混合放在保溫瓶中達到熱平衡的溫度比0℃略低，約為-0.04℃左右，但是對熱電偶測溫的影響已可忽略?？墒窃趯?shí)際的檢定過(guò)程中,由于短型熱電偶特殊的長(cháng)度,結合各檢定單位檢定爐的實(shí)際情況，方法一無(wú)法作為一種常規檢驗短型熱電偶的方法。比較被檢熱電偶的原始檢定結果，從數據的接近程度看依次是:
鋅點(diǎn):方法一>方法二>方法三>方法四;
鋁點(diǎn):方法一=方法二>方法四>方法三;
銅點(diǎn):方法一=方法二>方法三>方法四。
　　考慮到S型熱電偶的運行性校驗和穩定性考核等重要指標均選取在銅點(diǎn)進(jìn)行，所以綜合排序以銅點(diǎn)為主要指標，再結合考慮另外2個(gè)溫度固定點(diǎn)的指標,筆者認為4種不同的冷端補償方法的準確度從高到低依次應為:
方法一>方法二>方法三>方法四。
　　4種方法之中準確度最低的是用精密水銀溫度計進(jìn)行測量并修正的方法四。這是因為與方法二和方法三相比較，此種方法中被檢短型熱電偶的參考端溫度受到檢定爐周?chē)諝鉁囟茸兓挠绊懽畲?，此時(shí)檢定爐周?chē)諝獾臏囟仁軝z定爐加熱狀態(tài)的影響而變化，精密水銀溫度測量到的參考端溫度也會(huì )隨之波動(dòng)，而且檢定爐設定的溫度的升高，由這個(gè)影響量引入的測量誤差也越來(lái)越大。這一點(diǎn)從方法四與方法一的數據比對可以驗證，對3個(gè)固定點(diǎn)上的兩組檢定結果的差值分別為0.3℃鋅點(diǎn)).0.3℃鋁點(diǎn))和0.7℃銅點(diǎn))，即隨著(zhù)檢定點(diǎn)溫度的逐漸升高，檢定結果的偏差也隨之加大。此外此方法還包含精密水銀溫度計的修正值引入的誤差和檢定員對溫度計估讀所引入的誤差，所以準確性最差。
　　同理,方法三的測量準確度居中的原因也是因為使用補償導線(xiàn)延伸了被檢短型熱電偶的長(cháng)度，使被檢短型熱電偶的參考端溫度受到檢定爐周?chē)諝鉁囟茸兓挠绊憸p小了很多;主要測量誤差是補償導線(xiàn)的使用。此外,補償導線(xiàn)的誤差一般包括2種，一種是由于補償導線(xiàn)的熱電特性與所配用的熱電偶不一致造成的，這點(diǎn)可以通過(guò)常補償導線(xiàn)的修正值使用來(lái)消除;另一種是因補償導線(xiàn)與熱電偶參考端的兩接點(diǎn)溫度不一致造成的，在檢定過(guò)程中應該絕對避免，要保證其連接處兩接點(diǎn)溫度相同。
3結論
　　實(shí)驗結果印證了JJG668-97“參考端不能直接置入參考端恒溫器的短型熱電偶,其參考端應用達到一等標準熱電偶準確度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器”之規定。因為當被檢短型熱電偶的參考端溫度不能置于參考端恒溫器時(shí)，這種方法能獲得較為理想的補償效果。