熱電偶校準過(guò)程中的不同冷端補償方法

摘要:在K型熱電偶校準時(shí),由于熱電偶的長(cháng)度不一,參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。比較常用的有3種的冷端補償方法,現通過(guò)校準同一支K型熱電偶,對結果進(jìn)行比較分析,得到這3種方法得出的示值誤差排序。結果表明,“將參考端采用達到高一等級的熱電偶精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。
0引言
　　根據校準規范JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準規范》的要求，為保證熱電偶測量結果的正確可靠,新制造和使用中的熱電偶需要進(jìn)行校準。校準過(guò)程中要求熱電偶的參考端引入到冰點(diǎn)恒溫器內,但是由于熱電偶的長(cháng)度長(cháng)短不一,出現標準熱電偶和被校熱電偶的參考端不能同時(shí)置于冰點(diǎn)恒溫器的情況。而結果判定的依據須以參考端為0℃的熱電動(dòng)勢，因此需要將參考端不為0℃的熱電動(dòng)勢修正為參考端溫度為0℃的熱電動(dòng)勢,然后帶人計算公式中,得到正確的計算結果。
1實(shí)驗方法
　　在校準過(guò)程中,可以有三種不同的冷端補償方法,現以一支II級工作用K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶為例,長(cháng)度為1200mm,經(jīng)校準400℃,600℃,800℃的示值誤差為1.2℃,1.3℃,1.3℃,然后截取長(cháng)度為600mm為被校熱電偶,實(shí)驗條件:實(shí)驗室溫度恒定為20℃,濕度為40%RH,通過(guò)校準結果的計算分析,討論各種方法的精度。
1.1冷端補償方法一
　　將標準熱電偶的參考端置于參考端恒溫器內,被校熱電偶的參考端用到達K型熱電偶I級精度水平的同極性熱電偶延伸至參考端恒溫器內。
采用該方法校準時(shí),標準熱電偶的參考端置于充滿(mǎn)冰水混合物的保溫瓶之中,被校熱電偶的參考端與延長(cháng)用的1級K型熱電偶同極性各端平行重疊,重疊部分約為10mm,用直徑為0.2mm的漆包銅絲扎緊,困扎圈數為10圈。得到各校準點(diǎn)的溫度數據,如表1。
 
　　查閱相關(guān)資料可得,標準熱電偶在400℃,600℃,800℃的微分熱電動(dòng)勢分別為9.57μV/℃,10.21μV/°C,10.87μV/C,K型熱電偶在400℃600℃,800的微分熱電動(dòng)勢分別為42.24μV/℃,42.51μV/℃,41.00μV/℃,則各個(gè)校準點(diǎn)的示值誤差分別計算如下:
400℃時(shí):
 
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,被校熱電偶的參考端用補償導線(xiàn)將其延伸至參考端恒溫器內。
　　采用該方法進(jìn)行校準時(shí),標準熱電偶的參考端置于充滿(mǎn)冰水混合物的保溫瓶之中,被校熱電偶采用K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之中,得到各校準點(diǎn)的溫度數據,如表2。
 
各個(gè)校準點(diǎn)的示值誤差分別計算如下:
　　400℃時(shí):△t400=1.3℃;600℃時(shí):△t00=1.39℃;800℃時(shí):L8g00=1.4℃。
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，被校熱電偶的參考端放置精密水銀溫度計進(jìn)行測量并修正。
　　用此方法進(jìn)行校準時(shí)，標準熱電偶的參考端置于充滿(mǎn)冰水混合物的保溫瓶之中,被校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,得到三個(gè)校準點(diǎn)的校準數據如表3(已經(jīng)對精密水銀溫度計引入的誤差進(jìn)行了修正)。
 
　　參考端溫度分別為20.10℃,20.28℃,20.30℃,
　　需要注意的是,示值誤差計算公式中的熱電動(dòng)勢要求帶人的是參考端溫度為0℃的數值,而此種校準方法得到的被校熱電偶讀數的參考端溫度不符合要求,因此必須將被校熱電偶的參考端溫度修正到0℃才能帶人計算公式，否則計算結果會(huì )出現錯誤。
　　查表得在三個(gè)參考端溫度的修正值分別為:0.803mV,0.809mV,0.810mV,因此經(jīng)修正過(guò)的被校熱電偶在:
400℃時(shí)電勢值e=15.6678+0.803=16.4708(mV);
600℃時(shí)電勢值e=24.3576+0.809=25.1666(mV);
8009C時(shí)電勢值e=32.5585+0.810=33.3685(mV)。.
　　通過(guò)進(jìn)一步計算可得到各個(gè)校準點(diǎn)對應的示值誤差為:
400℃時(shí):△t400=1.6℃;600℃時(shí):△t600=1.6℃;
800℃時(shí):△t800=1.6℃。
2結果與討論
　　以上三種方法,綜合得到的結果見(jiàn)表4。
 
　　由以上數據可知,在三種方法中,方法一最接近原始數據,方法三與原始數據的偏差最大。經(jīng)分析，方法一相當于直接把被校熱電偶的長(cháng)度延長(cháng),達到放入參考端恒溫器的目的,數據基本一致。
　　方法三的精度最低,因為用精密水銀溫度計進(jìn)行測量并修正，與方法一和方法二相比較,此種方法中被校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。
　　同樣的,方法二的測量精度居中的原因也是因為使用補償導線(xiàn)延伸了被校熱電偶的長(cháng)度,使被校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。必須注意的是補償導線(xiàn)與熱電偶參考端的兩接點(diǎn)溫度不一致容易造成誤差,在校準過(guò)程中應該絕對避免，要保證其連接處兩接點(diǎn)溫度相同。
　　因此得出在校準熱電偶的過(guò)程中,必須使用補償導線(xiàn)進(jìn)行溫度補償,而將參考端采用達到高一等級的熱電偶精度水平的同極性熱電偶絲延伸至參考端恒溫器的方法能獲得較為理想的補償效果。