分度熱電偶時(shí)參考端溫度對測量結果影響

摘要：針對校準實(shí)驗室在進(jìn)行分度熱電偶量值傳遞時(shí),對于熱電偶參考端處于不同溫度下的測量結果進(jìn)行了比對,通過(guò)熱電偶測溫定律和實(shí)驗數據分析了熱電偶參考端處于非0℃時(shí)的檢測結果復現偏差的大小以及產(chǎn)生的內在原因，并提出了偏差大小對檢測結果的正確率影響。
0引言
　　熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛的測溫傳感器,在進(jìn)行溫度測量時(shí),熱電偶的輸出電勢是其測量端和參考端兩端溫度的函數，那么在對熱電偶進(jìn)行檢定/校準時(shí),不僅要使熱電偶的測量端處于穩定、均勻的溫場(chǎng)中,對其參考端溫度的控制也是保證測量精度的重要技術(shù)環(huán)節。國際電工委員會(huì )發(fā)布的熱電偶分度表,其參考端溫度均為0℃，故通常情況下對熱電偶進(jìn)行檢定/校準時(shí)，其參考端均放置在0℃恒溫器中。但有時(shí)出于某些特殊原因(如熱電偶結構或檢測條件等因素的影響)熱電偶參考端不便于放置在0℃而處于室溫下,這時(shí)我們一般采取熱電偶參考端溫度補償的方法進(jìn)行溫度補償,此方法是基于熱電偶的中間溫度定律,目前絕大多數熱電偶自動(dòng)檢測裝置均設置有參考端自動(dòng)補償功能,理論上講以_上兩種參考端溫度設置方式對熱電偶的測量結果應該是一致的,而實(shí)際測量結果會(huì )不會(huì )有所偏差?偏差的大小對于被測對象的精度來(lái)說(shuō)是否可接受?本文將通過(guò)實(shí)驗數據比較不同參考端溫度下分度熱電偶時(shí)的復現誤差，并對其影響因素進(jìn)行分析研究。
1實(shí)驗方案
　　為便于控制影響熱電偶檢測結果的其他影響因素,被測對象選擇帶延長(cháng)線(xiàn)的鎧裝熱電偶,選用穩定性和均勻性較好的干體爐做熱源，熱電偶在干體爐中不易發(fā)生位置變動(dòng)從而避免因檢定爐溫場(chǎng)波動(dòng)和不均勻性導致的重復性誤差。熱電偶參考端放置在穩定性和均勻性較好的恒溫液槽中,測量端與參考端溫度的標定均選用精度較高的精密鉑電阻溫度計。
1.1實(shí)驗用熱電偶
　　選擇規格為φ3mmx1200mm的K、J、E分度號鎧裝熱電偶各1支，φ3mmx2000mm的T分度號鎧裝熱電偶2支,其中J、E分度號熱電偶為新制熱電偶,K、T分度號熱電偶為使用中的熱電偶。
1.2測量設備技術(shù)參數
　　測量設備技術(shù)參數如表1所示。
 
1.3實(shí)驗溫度的選擇
　　K型、E型、J型熱電偶實(shí)驗溫度選擇在200℃、400C.600℃,熱電偶參考端分別置于0℃、25℃、50℃溫度下進(jìn)行測量;T型熱電偶實(shí)驗溫度選擇在100℃、200℃、300℃,熱電偶參考端也分別置于0℃、25℃、50℃溫度下進(jìn)行測量。
2測量過(guò)程
　　如圖1所示,將被測熱電偶測量端和精密鉑電阻溫度計1置于干體爐底部，干體爐升溫至200℃,將另一支精密鉑電阻溫度計2與被測熱電偶的參考端置于0℃恒溫液槽中(鉑電阻溫度計2用于測量參考端溫度),并分別連接至轉換開(kāi)關(guān)及溫度校驗儀，待爐溫穩定后,讀取鉑電阻溫度計1和每支熱電偶測量數據。保持干體爐溫度不變,將鉑電阻溫度計2與被測熱電偶的參考端取出置于25C恒溫液槽中,保持30min以上待熱電偶示值穩定后,讀取鉑電阻溫度計1和每支熱電偶測量數據(包括讀取鉑電阻溫度計2的值并進(jìn)行補償)。同樣保持干體爐溫度不變,將鉑電阻溫度計2與被測熱電偶的參考端取出置于50℃恒溫液槽中,保持30min以上待熱電偶示值穩定后,讀取鉑電阻溫度計和每支熱電偶測量數據。
 
　　按上述同樣步驟,分別將干體爐升至400℃和600℃,分別測量熱電偶參考端處于0℃、25℃、50℃時(shí)的示值,最終計算出每支熱電偶在各測量溫度、不同參考端溫度下的示值誤差。
3不同參考端溫度下熱電偶量值復現結果比較
　　計算得出3支K型、E型、J型熱電偶在各實(shí)驗溫度點(diǎn)和不同參考端溫度下的示值誤差見(jiàn)表2。2支T型熱電偶在各檢測點(diǎn)的示值誤差見(jiàn)表3。
 
 
注:給出的實(shí)驗數據均為兩次測量結果的平均值。按置信概率95%評估上述實(shí)驗方法帶來(lái)的測量結果不確定度約為0.1℃.
　　以上數據可以看出，當熱電偶測量端溫度不變時(shí),熱電偶參考端溫度處于25℃和50℃時(shí)運用參考端溫度補償方法得到的示值誤差與參考端溫度處于0℃得到的示值誤差均有所不同，復現偏差大小統計見(jiàn)表4、表5。
 
4熱電偶量值復現偏差分析
　　從表4、表5數據,我們發(fā)現從縱向來(lái)看偏差的數值大小很接近,小于±0.1℃,具有一定的規律,原因分析如下:
　　我們知道,應用熱電偶參考端溫度補償的方法進(jìn)行熱電偶量值傳遞是基于熱電偶的中間溫度定律,其理論公式如下:
E(T,T,0℃)=E(T,Tn)+E(Tn,0℃)(1)
　　式中:E(T,Tn,0℃)表示熱電偶在兩端溫度為(T,0℃)時(shí)的輸出熱電勢;E(T,T.)表示熱電偶在兩端溫度為(T,Tn)時(shí)的輸出熱電勢;E(Tn,0℃)表示熱電偶在兩端溫度為(T.,C)時(shí)的輸出熱電勢。
　　分度熱電偶時(shí),當參考端溫度為T(mén)n,我們運用式(1)進(jìn)行參考端溫度補償時(shí)加上的E(Tn,0℃)是通過(guò)查分度表而得到的值,亦即E(Tn,0℃)只與分度號及T。有關(guān),未考慮到熱電偶的分散性,而實(shí)際.上每支熱電偶在(Tn,0℃)溫度段的輸出熱電勢值并不相同,亦即熱電偶在(T,,0%C)溫度段的實(shí)際誤差值沒(méi)有考慮進(jìn)去,當此項誤差值較大時(shí),采用參.考端補償法進(jìn)行量傳就會(huì )帶來(lái)較大偏差。
根據以上分析,我們將上述實(shí)驗用的各支熱電偶在25℃和50℃進(jìn)行了誤差測量，測量時(shí)參考端溫度為0℃,測量結果如表6所示。
 
　　以上數據表明每支熱電偶在Tn溫度下均有各自的熱電特性,K型熱電偶的誤差較大,說(shuō)明其均勻性較差,而E、T1、T2三支熱電偶誤差較小，其均勻性較好。
　　我們將表4、表5熱電偶參考端溫度處于25℃和50C時(shí)與參考端溫度處于0℃時(shí)的復現偏差與表6熱電偶在25℃和50℃的示值誤差進(jìn)行綜合比較可以看出:表4、表5列出的復現偏差值和表6中熱電偶在25℃和50℃的示值誤差密切相關(guān)。如K型熱電偶,其25℃的誤差約為-1.1℃,即熱電偶在25℃時(shí)的實(shí)際輸出電勢值比分度表的值小，而我們補償時(shí)是按分度表的值補償進(jìn)去的,亦即補償值被人為地增大了1.1℃,使得測量結果也偏大,表4中K型熱電偶在200℃、400℃、600℃參考端溫度處于25℃時(shí)復現偏差為+1.1℃、+1.1℃、+1.0℃(保留1位小數),即由于忽略了熱電偶在參考端溫度下的輸出值的誤差，從而導致了復現偏差。偏差大小與忽略了的熱電偶誤差大小非常接近,方向相反。而E型熱電偶和2支T型熱電偶在25℃和50℃的測量誤差均較小，那么在表4、表5中我們看到E型和2支T型熱電偶用參考端溫度補償法測量帶來(lái)的復現偏差值也較小。
5結語(yǔ)
　　綜上所述,我們可總結如下提示:
1) 將熱電偶中間溫度定律運用于實(shí)際熱電偶量值傳遞中進(jìn)行參考端溫度(室溫)補償只是一種理想化的近似補償;
2) 分度熱電偶時(shí)若參考端置于室溫下,測量結果會(huì )因熱電偶的分散性而出現不同程度的偏差。偏差的大小與熱電偶的使用年限無(wú)直接關(guān)系,而與熱電偶在參考端溫度下的熱電特性密切相關(guān)。當被測熱電偶在室溫下的示值誤差越大,用參考端溫度補償法測量帶來(lái)的復現偏差就越大,反之就越小，且方向相反。
3)采用參考端溫度補償法測量帶來(lái)的復現偏差較大時(shí)有可能影響到熱電偶的合格判定或測量結果的可信度聲明。