熱電偶校準參考端溫度的合理選擇

一、規程對參考端溫度的規定
       對儀器示值的檢定或校準，是將儀器與一個(gè)精度高的標準直接或間接的比較過(guò)程。儀器的示值特性可以描述為
y=ƒ(x1,x2,....,xn)
式中:y----輸出值;x1....,Xn--明顯影響輸出值的輸入參數。
       作為評價(jià)儀器合格與否的檢定工作，必須對x1，....,xn所有輸入參數在標稱(chēng)工作范圍內的有效組合下進(jìn)行測量,才能評價(jià)儀器是否合格或超差。如果對每個(gè)輸入參數xi取ki個(gè)檢測點(diǎn)，則總共.有k1,k2......,kn個(gè)輸入參數的組合，顯然多元輸入參數儀器的檢測工作量是很大的,減小ki值或對一些輸入參數取固定值,可以簡(jiǎn)化檢測工作，但同時(shí)也會(huì )帶來(lái)評價(jià)不全面的問(wèn)題。
       在不考慮不均勻電勢等因素影響的情況下，理想熱電偶的熱電勢e是其兩端溫度的二元函數,即e=ƒ(t,tr)。式中,t和tr分別是測量端溫度和參考端溫度。顯然,只，有在tr確定的情況下,e和t才有確定的關(guān)系,才便于測量溫度。另外,熱電偶的示值誤差是以分度表的數據為基準的,而分度表(或其多項式)的參考端為0℃,故現行熱電偶檢定規程均規定,檢定時(shí)參考端溫度為0℃(B偶要求可較寬)。若實(shí)際使用的熱電偶參考端不是0℃就需要對參考端溫度t,進(jìn)行修正或補償。
二、借用中間溫度定律補償存在的問(wèn)題
       圖1~圖5是參考端溫度的幾種不同補償方式(其中,補償導線(xiàn)的影響與本文內容無(wú)關(guān)，看做是熱電偶的一部分，省略沒(méi)畫(huà)出)。
       圖1使用了0℃恒溫器，其參考端溫度為0℃,所測量的熱電勢不需要修正,但采用0℃恒溫器成本太高且不方便，只有在檢定和校準實(shí)驗室以及少數實(shí)際使用場(chǎng)合下才采用這種補償。

       圖2~圖5沒(méi)有使用0℃恒溫器，其中圖2是手動(dòng)補償,圖3~圖5是自動(dòng)補償,如今的溫度儀表多采用圖5的補償方式。圖2~圖5本質(zhì)上都是將參考端放置在--個(gè)比較穩定的溫度tr下進(jìn)行補償的。通過(guò)查表、電路產(chǎn)生測量轉換，模擬出-段測量端溫度為tr參考端為0℃的熱電偶,和實(shí)際熱電偶串聯(lián),把實(shí)際熱電偶的參考端溫度從t,模擬到0℃,并“借用”中間溫度定律,測量出實(shí)際溫度t:
e(t,tr,0℃)=e(t,tr)+e(tr,0℃)(1)
       式中:e(t,tr,0℃)一儀表在顯示溫度之前所得到的總熱電勢;e(t,tr)-熱電偶自身產(chǎn)生的熱電勢;e(tr,0℃)-補償產(chǎn)生的電勢。e(tr,0℃)只與分度號及tr,有關(guān),與具體熱電偶特性無(wú)關(guān)，在不考慮tr,測量誤差和補償電路本身產(chǎn)生的誤差的情況下,e(tr,0℃)理論上等于溫度I,對應的分度表電勢值，并沒(méi)有包括熱電偶在(tr,0℃)溫度段的實(shí)際誤差值即利用式(1)所進(jìn)行的補償,除非通過(guò)實(shí)際測量得到e(tr,0℃)值,否則用式(1)中間溫度定律只能是理想化的近似補償,這將導致檢測和實(shí)際使用兩種場(chǎng)合下的量值復現偏差。
三、不同參考端溫度下熱電偶量值復現偏差測量實(shí)例
       下面通過(guò)實(shí)際測量不同參考端溫度時(shí)的誤差，進(jìn)-步說(shuō)明量值復現偏差。其中,參考端為0℃的誤差是按照規程測量得到的;參考端為23℃和50℃的誤差用于代表實(shí)際使用條件下的誤差，它根據式(1)中間溫度定律“補償”到0℃。
       為測量方便,被測熱電偶選用長(cháng)度為3m以上的聚四氟乙烯或不銹鋼鎧裝型熱電偶。不用溫場(chǎng)差的熱電偶檢定爐,測量端和參考端均用精密恒溫槽,恒溫槽指標為:波動(dòng)度為0.003℃、均勻度為0.01℃;標準器用二等鉑電阻溫度計;電測儀器為2182A數字納伏表,配用B365型低電勢轉換開(kāi)關(guān)，實(shí)測B365寄生電勢小于0.2μV;熱電偶參考端和轉換開(kāi)關(guān)的連接導線(xiàn)為全新純銅導線(xiàn),其熱電勢實(shí)測小于0.005μV/℃。
       測量時(shí)，熱電偶測量端和一支標準鉑電阻一起插入油槽,并始終保持固定不動(dòng)，參考端和另一支標準鉑電阻一起插入低溫槽或水槽中，測量端和參考端插入深度均為30em。依次設置測量端溫度為100℃和200℃,參考端溫度為0℃、23℃C和50℃。對每一溫度點(diǎn)在恒溫時(shí)間大于1h后才開(kāi)始測量。測量數據用計算機正確計算,包括恒溫槽溫度、補償電勢值溫度誤差值等。表1是許多測量中的其中-組I級KJ、E分度號熱電偶的測量結果。
       由表1可見(jiàn),在相同測量端溫度下,參考端23℃和50℃的誤差相對于參考端09C誤差的偏差分別達到0.1℃~0.3℃和0.1℃~0.5℃。偏差值和具體的熱電偶有關(guān),有些熱電偶實(shí)測的偏差值比表1還要大。

四、校準時(shí)參考端溫度的合理選擇
       通過(guò)以上分析和實(shí)際測量說(shuō)明:檢測時(shí)和使用時(shí)參考端溫度不同,會(huì )產(chǎn)生量值復現偏差。檢定必須執行檢定規程,參考端只能是0℃;校準沒(méi)有法制性要求,方法可以比較靈活。如果能知道熱電偶實(shí)際使用時(shí)的參考端(平均)溫度,并選用此溫度作為校準時(shí)的參考端溫度,則最能體現量值溯源的實(shí)際情況，減小量值復現偏差。
       但實(shí)際使用下的參考端溫度，校準機構和用戶(hù)都難以知道。根據資料,全國主要城市的年平均氣溫都在0℃以上。故實(shí)際使用的工作用熱電偶，參考端處于平均室溫附近或更高溫度(熱電偶主要用于加熱設備)的機會(huì )遠遠高于處于0℃的機會(huì )。在難以知道實(shí)際使用的參考端溫度的情況下，選擇當地(平均)室溫附近的溫度(如23℃±59℃)作為校準時(shí)的參考端溫度,總體校準結果將比參考端在0℃下更為符合實(shí)際情況?；蛘哒f(shuō),對于熱電偶校準,參考端可以選擇-個(gè)溫度處于室溫附近的恒溫器,只要其溫場(chǎng)性能滿(mǎn)足要求,不一定要選擇0℃恒溫器。并且選擇室溫附近的恒溫器還有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)適用較粗、較短的熱電偶校準。由于較粗、較短的熱電偶的參考端很難直接按規程要求插到冰點(diǎn)瓶中,與其用補償導線(xiàn)引到0℃恒溫器,不如用補償導線(xiàn)引到一個(gè)穩定的室溫附近的恒溫器中，這樣補償導線(xiàn)兩端的溫差較小，由補償導線(xiàn)引入的誤差就比較小。
(2)室溫附近的恒溫器比較容易獲得。例如,用高導熱系數材料(如純鋁)容易制作-款室溫下溫場(chǎng)均勻度很高和穩定度良好的恒溫器，可供校準裝置使用,省去冰點(diǎn)瓶制冰、刨冰和維護的麻煩。
五.結束語(yǔ)
       現行熱電偶檢定規程要求檢定時(shí)參考端溫度為0℃,但實(shí)際使用時(shí)參考端溫度通常不是0℃,參考端溫度不同會(huì )導致檢測和使用兩者的量值復現偏差。以熱電偶實(shí)際使用條件下的參考端溫度作為校準時(shí)的參考端溫度是最為嚴謹的選擇。
       用實(shí)驗室環(huán)境溫度(如23℃±5C)作為校準時(shí)參考端溫度,在通常情況下比用0℃更接近實(shí)際情況，也是一種合理選擇，不僅容易獲得校準時(shí)的參考端恒溫器，還可以減小量值復現偏差,使校準數據更具有實(shí)際意義。