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工业热电偶冷端补偿及检定技术研究


来源:中国学术期刊网    日期:2021-10-22 09:27:38



                        
摘要:论文介绍了工业热电偶的分类方法和冷端补偿方法,并针对热电偶在测量过程中参考端的特殊要求,根据工业热电偶相关检定规程介绍了热电偶检定中需要的主要检定设备和常用的检定方法。对热电偶进行正确检定以保证温度量值的准确和统一,在温度计量的源头把好质量关是非常必要的。
关键词:温度;热电偶;检定设备;冷端补偿
 
1 引言
温度是物理学中最常用的物理量之一,其对工业制造及科学发展起到至关重要的作用。同时,其也是工业制造业中的重要工艺参数[1]。在物理学上,物质的各个属性及大自然规律性均同温度关系密切,伴随科学在工业生产中的作用愈发显著,温度的计量体现出更关键的科研价值。另外,其附带产品温度传感器应运而生并在工业生产中发挥着重要效能,它们的测量精准度对工业制造的效率及品质产生巨大影响。
    在常规的工业化生产中,热电偶温度传感器运用最为广泛[2]。其不仅在石油加工、化学、能源、军工、航天等领域被普遍运用,另外,在医学设备、科研仪器、电子计量、制药生产、家用电器及汽车制造中,该传感器被负于重任。
2 热电偶分类
通常意义上,热电偶有标准热电偶及工作用热电偶之分。前者研究早,应用广泛,在工艺生产上相对稳定,通常具备批量产出的规模,一般该热电偶的性能有目共睹。由此,其也被列入工业生产的标准文件中,分度上一致性良好,国际统一。标准热电偶通常有八类:铂锗10-铂热电偶(S型)、铂锗13-铂热电偶(R)、铂锗30-铂锗6热电偶(B型)、镍铬-镍硅热电偶(K型)、镍铬硅-镍硅热电偶(N型)、铜-铜镍(康铜)热电偶(T型)、镍铬-铜镍(康铜)热电偶(E型)、铁-铜镍(康铜)热电偶((J型)。其中,贵金属热电偶有三类,分别是S, R, B,廉金属热电偶有五类,分别是K, N, E, J, T。非标准热电偶通常可进行特殊环境下的温度计量,分度表并不固定[3]
3 热电偶冷端补偿
    根据热电偶的物理学机理,其热电动势的高低等于测量前端温度及冷端温度的差值,为确保热电动势与待测温度呈线性关系,务必要让冷端温度维持固定[4]。热电偶的分度表是以冷端温度为零度为前提的。以分度表刻度的温度显示设备亦是如此。实际操作中,测量时冷端无法保证等于零度,所以务必要运用某些数学补偿及逻辑修正的手段来去除冷端温度不稳定所造成的影响。一般的冷端补偿手段包括[4]:冰点法、温度补偿法、补偿导线法、电桥补偿法。
    (1)冰点法
    顾名思义,此方法是把热电偶的冷端置于冰水混合物的器皿中,让冷端温度维持在0℃。当然,由于操作不便,此方法仅可用于实验室环境。
    (2)温度补偿法
    我们假设热电偶测量前端温度是t,而冷端温度为(不等于0度),此时得到热电偶的输出电势是。依据中间温度定律,可以热电偶的输出热电势通过数学运算转换为冷端为零度的值,逻辑关系为。通常方法补偿过程中,要先获得冷端温度,继而查询分度表获得,同时参照上式运算获得,二次查询分度表测得相应温度值。在自动测温中此方法被广泛应用。
    (3)补偿导线法
    在热电偶冷端温度非0℃情况下,为更好地补偿,可以同热电偶材质物理属性类似的导线把其冷端延长到测量设备的接线端。此时用到的补偿导线仅是把冷端延伸至固定温度环境下的接线端,它本身并无法去除冷端温度的不确定性,不具备补偿效能。所以在冷端温度非0℃情况下,还要求运用冰点法或热电势补偿法等手段来修正测量时由于冷端非零引发的不稳定性。
4 热电偶的检定
为保证热电偶在制作及研发时维持最大限度的精确性,针对新制作的热电偶,务必要进行严格的检定,达标后方可用于流入市场;而正常使用的热电偶,因为它的热电属性会因为自然因素、人为因素等发生改变,所以也应当定期进行检定,要继续测量必须达标。因为热电偶有贵金属及廉金属两类,检定过程中要参照的规则也不尽一致。而对贵金属热电偶,参照JJG 141-2013《工作用贵金属热电偶检定规程》,务必要先对热电偶外观先行检定,继而清洗退火,最后参考规程要求的检定点(S和R型检定点为:锌(419.527℃、铝(660.323℃、铜(1084.62℃凝固点;B型为:1100℃, 1300℃,  1500℃)和检定形式展开系统控温及数据收集等环节[4]。而针对廉金属,参照JJG 351-1996《工作用廉金属热电偶检定规程》,也务必要对其外观例行检定,而新生产的要进行退火操作,使用中的无需退火,而它的检定温度点是参照热电偶丝的材质及电极规格来定级的。
4.1主要检定设备
工作用贵金属热电偶检定仪器详见表1:
表1 工作用贵金属热电偶检定设备
序号 设备名称 技术要求 用途 备注
1 标准热电偶 铂铑10-铂热电偶两只
铂铑30-铂铑热电偶两只
铂铑30-铂铑6热电偶两只
   
2 电测仪器 准确度高于0.01级
分辨力高于0.1μV
测量热电偶热电动势 可用不低于其准确度等级要求的其他电测仪器。
3 多路转换开关 寄生电势及寄生电势只差小于0.4μV 切换各路热电动势。  
4 参考端恒温器 恒温器深度不低于两百毫米 热电偶参考端0℃的恒温装置。 可用满足要求的恒温槽代替。
5 管式检定炉 炉长大约六百毫米
炉管内径大约二十毫米
炉内温度最高点偏离炉子几何中心小于二十毫米等
S型热电偶和R型热电偶的检定。 炉管内径高于20 mm的检定炉。
6 高温管式检定炉 炉长大约六百毫米
炉管内径大约二十毫米
炉内温度最高点偏离炉子几何中心小于二十毫米等
B型热电偶的检定。  
7 退火炉 炉长大约一千毫米
常用温度1100℃
均匀温场长度应大于四百毫米等
S型、R型、B型热电偶的退火。  
8 热电偶通电退火装置 配备的交流电流表准确度不低于0.5级 热电偶的通电退火。  
9 千分尺 分辨力不大于1μm 偶丝直径的测量。  
10 其它辅助设备 电炉、米尺等    
而同类型的廉金属热电偶检定仪器通常有:
    (1)一等、二等标准的铂铑10-铂热电偶各1个;一套量程-30-到300℃的二等标准水银温度计,二等标准铂电阻温度仪一组。
    (2)一组低电势直流电位差计,精准度要高于0.02级、最小步进值小于1V,也可以同级别其余仪器代替。
    (3)寄生电势≤1μV的多点转换开关。
    (4)参考端恒温器,恒温器内温度控制在0 ℃,容差0.1。
    (5)有效工作空间里的温差不高于0.2℃的定温油槽。
    (6)符合检定标准的管式炉及控温装置。
4.2常规的检定手段
    根据检定的要求,现阶段工作用的热电偶温度计的检定形式以比较法最为普遍。该方法是运用高端标准及待检热电偶直观对比的一类检定形式。把标准热电偶及待检热电偶一块置于检定炉中,把测量端放在炉内温场均匀的空间,继而参照规程要求展开检定。一般的比较法有两类:一是双极法,二是同名极法[5]
   (1)双极法
    双极法是在所有的检定点进行标准及待测热电偶电势值的测量,再运用数学关系获得它的偏差或相关的热电势值[6],双极法检定接线物理机理见图1。

图1 双极法检定原理图
    让炉温上升到设置好的检定点,待温度稳定后开始参照如图2的次序测量每个热电偶的热电势,总的次数应保持4次以上。

图2 热电偶测量顺序
以双极法检定热电偶在每个特定点上的热电动势可以式(1)来进行运算:
    此式中:——标准热电偶证书上定义的检定的设置热电势值;
            一一于检定点周边测量到的待测热电偶的热电势算术平均值同标准热
                  电偶此数值的差值。
    (2)同名极法
    该方法可应用在同类别的热电偶检定中,它的物理学机理见图3。待测热电偶的电极同测量设备的“+”口连接,标准热电偶的电极同测量设备的“-”口连接。把标准热电偶同待测热电偶一块包装后置于检定炉,炉内温度升至设置的检定点并趋于恒定,方能进行测量,测量次数原则上应大于4次。

图3 同名极法检定原理图
 
参考文献:
[1] V.C.Fernicola, L.Iacomini. Approximating the ITS-90 Temperature Scale with Industrial Platinum Resistance Thermometers[J]. Int J Thermophys, 2008, 29:1817-1827.
[2] GJB 2749A-2009. 军事计量测量标准建立与保持通用要求[S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2010.
[3] 张丽. 热电偶的选型及误差分析[J]. 科学之友,2012, (15): 160-161。
[4] 刘夫亮.热电偶冷端补偿的实验与研究[D]. 北京:华北电力大学, 2009, 10-15.
[5] 杨在富, 吴新文, 叶德培. 测量过程统计控制[J]. 计量技术,  2010,  (11): 22-25.
[6] 赵宇, 陈松涛. 测量过程控制在实验室校准结果质量保证中的应用[J]. 现代测量与实验室管理, 2004, 3: 45-47.