T型熱電偶測量中冷端補償溫度分析

摘要:T型熱電偶是使用率高的一種溫度測量?jì)x器。本文參照規程JJG368-2000《工作用銅-銅鎳熱電偶》,對T型熱電偶的校準方法進(jìn)行探討與研究,通過(guò)改變補償溫度找到其與T型熱電偶的影響關(guān)系。
0引言
       熱電偶是兩種不同材料的導體基于塞貝克效應.制成的溫度計。通常兩種不同材料的導體稱(chēng)為熱電偶的兩個(gè)電極,其兩個(gè)電極的-.端焊接在--起形成一個(gè)接點(diǎn),稱(chēng)測量端，測量時(shí)放置在被測溫場(chǎng)中;另一端為測量時(shí)置于某一恒定溫場(chǎng)中,稱(chēng)參考端。熱電偶測溫的基本原理是熱電效應原理,即兩種不同的金屬導體連接形成回路,如果連接的兩點(diǎn)溫度不同，那么在測量的回路當中就會(huì )有一個(gè)電動(dòng)勢產(chǎn)生，從而形成電流，這就是熱電偶測溫中的熱電效應。
       應用中熱電偶回路接入測量系統,由于熱電偶成本較高以及場(chǎng)地所限等問(wèn)題經(jīng)常要在熱電偶中插入第三種材料將信號傳至測量系統，第三種材料通常稱(chēng)為補償導線(xiàn)。在進(jìn)行測溫系統建設時(shí)首先選用與熱電偶相配套的補償導線(xiàn)將熱電偶冷端延伸到控制室,然后再與變送、顯示、記錄、調節儀表或數據采集卡等設備相連。
       熱電偶分標準熱電偶和工作用熱電偶。標準熱電偶在工藝生產(chǎn).上相對穩定,分度上-致性良好，國標統一。標準熱電偶通常有八類(lèi)，其中貴金屬熱電偶有三類(lèi),分別是S,R,B;廉金屬熱電偶有五類(lèi),分別是K,N,E,J,T。工作用熱電偶通?？蛇M(jìn)行特殊環(huán)境下的溫度計量,分度表并不固定。工作用銅-銅鎳熱電偶即T型熱電偶，具有精度高、性能穩、壽.命長(cháng)、價(jià)格低等特點(diǎn)，在溫度計量中,T型熱電偶被廣泛應用。
1熱電偶的冷端補償
       根據熱電偶的物理學(xué)原理,其熱電動(dòng)勢的高低等于測量前端溫度與冷端溫度的差值。為確保熱電動(dòng)勢與待測溫度為線(xiàn)性關(guān)系,冷端溫度必須保持在穩定的溫度。
       當冷端為0℃時(shí)，熱電偶輸出的電勢與熱端感受溫度有一一對應關(guān)系，熱電偶的分度表也是以此為前提的。當冷端溫度不為0℃時(shí)，將運用數學(xué)補償及邏輯修正的方法。
       常用冷端溫度補償方法有冰點(diǎn)法、恒溫遷移補償法、熱電勢修正法、電橋補償法、二級管補償法、集成溫度傳感器補償法和軟件補償法。
       實(shí)驗室里常用冰點(diǎn)補償法，冰點(diǎn)法是將補償導線(xiàn)末端放入冰水混合物或零度恒溫器中,這樣熱電偶冷端的溫度就是0C,可直接測出熱端溫度。該方法原理簡(jiǎn)單,測量誤差小，-.般情況下誤差可忽略不計。
       戶(hù)外試驗常用的方法為恒溫遷移補償法,此種方法是根據補償導線(xiàn)末端所處環(huán)境溫度的大小，人為將顯示或記錄儀表的零點(diǎn)調到該值，恒溫遷移補償法引入的誤差很小，尤其是對于高溫測量,其相對誤差更小。
2熱電偶的檢測現狀
       熱電偶因兩電極材料不同,有很多組合,組合不同測溫區間不一樣,因此國內外大部分研究都集中在選型的探析.上,如任平的《熱電偶的使用和選型探析》,”謝清俊《熱電偶測溫技術(shù)相關(guān)特性研究》等。四有對熱電偶不同測溫方式帶來(lái)不同測溫結果的研究，如施吉《多種熱電偶測溫方式對比研究分析》,[3]也有對熱電偶不確定度分析的研究，如董雪《基于T型熱電偶的國防計量標準不確定度的評定》。“
       在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,系統的溫度控制對產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制系統常用的測量部件,對控溫系統的控溫正確性至關(guān)重要。其冷端補償、動(dòng)態(tài)響應測量與瞬態(tài)測溫性能也是目前業(yè)界的研究熱點(diǎn)。如張根甫《熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應特性研究》,51從熱電偶傳感器的動(dòng)態(tài)響應實(shí)驗中發(fā)現熱電偶測溫存在一-定的延誤量且該延誤量與時(shí)間常數有關(guān);薛光輝《熱電偶傳感器溫控系統誤差研究》因闡述了溫控器的使用與熱電偶的冷端補償對溫度控制系統的控制精度和精度綜合影響等。
       以上研究均以補償溫度為冰點(diǎn)進(jìn)行研究分析，在測量中,通常對環(huán)境溫度提出了相應的要求，是為了讓實(shí)驗數據在可控的范圍內更加準確。然而儀器在使用中通常是不具備實(shí)驗室所要求的溫度環(huán)境。本文試圖通過(guò)實(shí)驗數據找到T型熱電偶在使用過(guò)程中補償溫度對其示值結果的影響關(guān)系。為企業(yè)T型熱電偶的生產(chǎn)和使用帶來(lái)幫助。
3實(shí)驗方案
       本方案希望通過(guò)控制標準溫度計的合理性、測量?jì)x表的精度、熱源溫場(chǎng)的穩定性、被測對象的可靠性,給補償溫度5個(gè)工況(即0℃、10℃、20℃、30℃、40℃),從而找到T型熱電偶在使用過(guò)程中補償溫度對其示值結果的影響關(guān)系。
       對3支量程范圍為0℃~120℃的1級T型熱電偶進(jìn)行測量校準，測量溫度點(diǎn)為100℃。依據JJG368-2000《工作用銅-銅鎳熱電偶》,的100℃時(shí)，1級T型熱電偶的最大允許誤差為+0.5℃。
通過(guò)對規程JJG368-2000《工作用銅-銅鎳熱電偶》中計量標準器及主要配套設備的參數指標分析與討論，標準器選用二等標準鉑電阻溫度計與自動(dòng)測溫電橋的組合;標準器及主要配套設備見(jiàn)表1。

4實(shí)驗過(guò)程
       實(shí)驗室環(huán)境溫度23℃C,相對濕度58%。使得三支T型熱電偶測量端對齊,放入石英管中，并用脫脂棉封閉管口。將石英管和標準鉑電阻溫度計預熱后插入100℃的恒溫油槽中,穩定時(shí)間低于20min,石英管中熱電偶通過(guò)銅補償導線(xiàn)與特穩攜式校驗儀連接,標準鉑電阻溫度與自動(dòng)測溫電橋相連,并將銅補償導線(xiàn)與特穩攜式校驗儀的補償導線(xiàn)一同用石英管套住封好置入恒溫槽中，恒溫槽分別設置0℃、10℃、20℃、30℃、40℃五個(gè)工況，每個(gè)工況穩定時(shí)間不低于20min。
       T型熱電偶的溫度示值從特穩攜式校驗儀中讀取并記錄，標準器溫度示值從自動(dòng)測溫電橋中讀取并記錄,測量過(guò)程無(wú)異常,100℃時(shí)T型熱電偶的測量數據見(jiàn)表2。

        根據公式，實(shí)驗室誤差=T型熱電偶測量值標準溫度計示值,得到表3。

       實(shí)驗過(guò)程完全按照規程進(jìn)行,沒(méi)有出現異常。
5總結
       補償溫度為0℃、10℃、20℃、30℃、40℃五個(gè)工況時(shí)，三支T型熱電偶在100℃測量中的示值誤差均符合該等級熱電偶要求。從測量實(shí)驗數據可見(jiàn)同一支T型熱電偶測量示值誤差最大差異值為0.1℃;補償溫度上升,三支T型熱電偶的示值誤差無(wú)規律可尋。故即使環(huán)境溫度變化(冷端補償情況不同)，也不足以對工作用T型熱電偶測量結果產(chǎn)生影響。.客戶(hù)使用工作用T型熱電偶時(shí)只需要正確補償，可以不用考慮環(huán)境溫度的或高或低情況。