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T 型熱電偶測量中冷端補償溫度的研究

來源:www.kimmosasi.net作者:鄒 軼發表時間:2020-10-26 11:06:30

摘 要: T 型熱電偶是使用率極高的一種溫度測量儀器。本文參照規程 JJG 368 - 2000《工作用銅 - 銅鎳熱電偶》,對 T 型熱電偶的校準方法進行探討與研究,通過改變補償溫度找到其與 T 型熱電偶的影響關係。

引言

        熱電偶是兩種不同材料的導體基於塞貝克效應製成的溫度計。通常兩種不同材料的導體稱為熱電偶的兩個電極,其兩個電極的一端焊接在一起形成一個接點,稱測量端,測量時放置在被測溫場中; 另一端為測量時置於某一恒定溫場中,稱參考端。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,如果連接的兩點溫度不同,那麽在測量的回路當中就會有一個電動勢產生,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係統,由於熱電偶成本較高以及場地所限等問題經常要在熱電偶中插入第三種材料將信號傳至測量係統,第三種材料通常稱為補償導線。在進行測溫係統建設時首先選用與熱電偶相配套的補償導線將熱電偶冷端延伸到控製室,然後再與變送、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上相對穩定,分度上一致性良好,國標統一。標準熱電偶通常有八類,其中貴金屬熱電偶有三類,分別是 S,R,B; 廉金屬熱電偶有五類,分別是 K,N,E,J,T。工作用熱電偶通常可進行特殊環境下的溫度計量,分度表並不固定。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、價格低等特點,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原理,其熱電動勢的高低等於測量前端溫度與冷端溫度的差值。為確保熱電動勢與待測溫度為線性關係,冷端溫度必須保持在穩定的溫度。

        當冷端為 0℃ 時,熱電偶輸出的電勢與熱端感受溫度有一一對應關係,熱電偶的分度表也是以此為前提的。當冷端溫度不為 0℃ 時,將運用數學補償及邏輯修正的方法。

        常用冷端溫度補償方法有冰點法、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。

        實驗室裏常用冰點補償法,冰點法是將補償導線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 0℃,可直接測出熱端溫度。該方法原理簡單,測量誤差小,一般情況下誤差可忽略不計。

        戶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末端所處環境溫度的大小,人為將顯示或記錄儀表的零點調到該值,恒溫遷移補償法引入的誤差很小,尤其是對於高溫測量,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》,[1]謝清俊《熱電偶測溫技術相關特性研究》 等。[2]有對熱電偶不同測溫方式帶來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《基於 T 型熱電偶的國防計量標準不確定度的評定》。[4]

        在實際工業生產中,係統的溫度控製對產品質量至關重要。熱電偶是工業生產中溫度控製係統常用的測量部件,對控溫係統的控溫準確性至關重要。其冷端補償、動態響應測量與瞬態測溫性能也是目前業界的研究熱點。如張根甫《熱電偶溫度傳感器動態響應特性研究》,[5]從熱電偶傳感器的動態響應實驗中發現熱電偶測溫存在一定的延誤量且該延誤量與時間常數有關; 薛光輝《熱電偶傳感器溫控係統誤差研究》[6]闡述了溫控器的使用與熱電偶的冷端補償對溫度控製係統的控製精度和準確度綜合影響等。

        以上研究均以補償溫度為冰點進行研究分析,在測量中,通常對環境溫度提出了相應的要求,是為了讓實驗數據在可控的範圍內更加精準。然而儀器在使用中通常是不具備實驗室所要求的溫度環境。

        本文試圖通過實驗數據找到 T 型熱電偶在使用過程中補償溫度對其示值結果的影響關係。為企業 T型熱電偶的生產和使用帶來幫助。

3 實驗方案

        本方案希望通過控製標準溫度計的合理性、測量儀表的精度、熱源溫場的穩定性、被測對象的可靠性,給補償溫度 5 個工況( 即 0℃、10℃、20℃、30℃、 40℃ ) ,從而找到 T 型熱電偶在使用過程中補償溫度對其示值結果的影響關係。 對 3 支量程範圍為 0℃ ~ 120℃ 的 1 級 T 型熱電偶進行測量校準,測量溫度點為 100℃。依據 JJG 368 - 2000《工作用銅 - 銅鎳熱電偶》,[7]100℃ 時,1 級 T 型熱電偶的最大允許誤差為 ± 0. 5℃。

        通過對規程 JJG 368 - 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測溫電橋的組合; 選用湖州翔安試驗設備生產的HTS - 300A 恒溫油槽作為熱電偶測量端溫場熱源;選用深圳市艾依康儀器儀表公司 TL - 1010N 精密恒溫槽為了補償溫度提供五個溫度工況; 選用福祿克高精度數字溫度計為補償溫度提供標準值; 選用 0. 01 級特穩攜式校驗儀直接讀取 T 型熱電偶的溫度測量值,標準器及主要配套設備見表 1。

校準選用主要標準器及配套設備

4 實驗過程

        實驗室環境溫度 23℃,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,並用脫脂棉封閉管口。將石英管和標準鉑電阻溫度計預熱後插入 100℃ 的恒溫油槽中,穩定時間不低於 20min,石英管中熱電偶通過銅補償導線與特穩攜式校驗儀連接,標準鉑電阻溫度與自動測溫電橋相連,並將銅補償導線與特穩攜式校驗儀的補償導線一同用石英管套住封好置入精密恒溫槽中,精密恒溫槽分別設置 0℃、10℃、20℃、30℃、40℃ 五個工況,每個工況穩定時間不低於 20min。 

        T 型熱電偶的溫度示值從特穩攜式校驗儀中讀取並記錄,標準器溫度示值從自動測溫電橋中讀取並記錄,測量過程無異常,100℃ 時 T 型熱電偶的測量數據見表 2。

T 型熱電偶 100℃時校準實驗數據

        根據公式,實驗室誤差 = T 型熱電偶測量值 -標準溫度計示值,得到表 3。

T 型熱電偶 100℃時實驗室誤差匯總表

5 總結

        補償溫度為 0℃、10℃、20℃、30℃、40℃ 五個工況時,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。

        從測量實驗數據可見同一支 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規律可尋。

        故即使環境溫度變化( 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生影響。客戶使用工作用 T 型熱電偶時隻需要正確補償,可以不用考慮環境溫度的或高或低情況。