检定S型短型热电偶的4种不同冷端补偿方法

摘要:检定长度在200~700mm范围内的S型热电偶时，由于参考端温度大都处于室温或者波.动的温场之中，需要将参考端温度恒定在0℃或采取修正、补偿等措施进行修正。现采取检定中最常用的4种不同的冷端补偿方法检定同一支S型短型热电偶,对结果进行比较分析，得到这4种不同的冷端补偿方法的优劣性及其准确度排序。结果表明，“将参考端应用达到一等标准热电偶准确度水平的同极性热电偶丝延伸至参考端恒温器”方法能获得较为理想的补偿效果。
　　根据我国JJG668-97《工作用铂铑10-铂、铂.铑13-铂短型热电偶》检定规程规定:新制的和使用中的测量温度范围为300~1300℃，长度在200~700mm范围内的工作用S型及R型热电偶简称短型热电偶。由于此类型热电偶的长度较为特殊，在检定的时候通常难以达到“将标准热电偶和被检短型热电偶的参考端同时置于参考端恒温器内”的要求,但是在计算过程中,必须将参考端温度不为0℃的热电动势修正到参考端温度为0℃的热电动势带入公式才能得到正确的计算结果。
1实验方法
　　笔者将一支长度为1000mm的S型II级工业热电偶先在昆明貴金属研究所检定,再将此偶送至云南省计量院检定，检定结果见表1,取2次检定结果之平均值为此偶的分度值。然后将其截取为长度为480mm的S型短型热电偶作为被检定热电偶，用.编号S209-288的一等标准进行检定。采用实验室中常用的4种不同的冷端补偿方法，对检定结果分别进行计算并比较，实验温度恒定为20C，湿度恒定为50%。
 
1.1冷端补偿方法一
　　将标准热电偶与被检短型热电偶的参考端同时置于参考端恒温器内。采用此种方法进行检定时，标准热电偶与被检短型热电偶的参考端均置于充满冰水混合物的保温瓶中。
1.2冷端补偿方法二
　　将标准热电偶的参考端置于参考端恒溫器内，被检短型热电偶的参考端用达到一等标准铂铑10-铂热电偶准确度水平的同极性热电偶丝延伸至参考端恒温器内。采用此种方法进行检定时，标准热电偶的参考端置于充满冰水混合物的保温瓶中，短型热电偶的参考端与延长用的达到一等标准铂铑10-铂热电偶准确度水平的同极性热电偶丝各端平行重叠，重叠部分约10mm,用直径为0.2mm的漆包铜丝扎紧，捆扎图数为5圈。
1.3冷端补偿方法三
　　将标准热电偶的参考端置于参考端恒温器内，被检短型热电偶的參考端运用补偿导线将其延伸至参考端恒温器内。采用此种方法进行检定时，标准热电偶的参考端置于充满冰水混合物的保温瓶中，短型被检热电偶的参考端采用相同分度号的S型补偿导线按照相同极性进行连接，将其延伸至充满冰水混合物的保温瓶中，并提前对补偿导线引入的误差进行修正。
1.4冷端补偿方法四
　　将标准热电偶的参考端置于参考端恒温器内，被检短型热电偶的参考端用精密水银温度计进行测量并修正。采用此种方法进行检定时,标准热电偶的参考端置于充满冰水混合物的保溫瓶中,短型被检热电偶的参考端采用经检定合格的精密水银温度计进行测量，同时需要对精密水银温度计引入的误差进行修正。
2结果与讨论
　　采用4种不同的冷端补偿方法进行检定，得到锌、铝及钢的3个固定点温度的实验数据如表2~5所示。
　　据检定规程,S型热电偶分度表中锌、铝及铜3个固定点温度的热电动势分别为3.447.5.860和10.575mV;其与锌、铝及铜3个固定点温度相对应的微分热电动势值分别为9.64、10.40和11.80μV/C。则各个固定点的示值误差分别计算如下:
 
　　式中，`E<sub>t被</sub>检定热电偶读数平均值，Et标--标准热电偶证书值,`E_t标一标准热电偶读数平均值,E1分一分度点热电动势值,St一分度点微分热电动势值。
 
 
 
　　需要注意的是:示值误差计算公式中的热电动势要求带入的是参考端温度为0℃的数值，而方法四得到的被检热电偶的读数的参考端温度却不符合要求,因此必须将被检热电偶的参考端温度修正到0℃才能带入公式计算，否则计算结果会产生错误。中间温度定律指出:如果A与A',B与B’的材料相同，且接点温度都是T,Tn,T0时，则
EABr,T,,T)=EAB(",T,)+EAR(,T)(4)
　　在实验中得到被检热电偶的读数平均值其实是EAB(T,Tn)，但通过经检定合格的精密水银温度计能够准确地测量出热电偶的实际非零的参考端温度Tn，还可以通过S分度表查找出EAB(Tn,T0)的数值，统统带入式(4)便可得到被检热电偶在参考端温度为0℃时的热电势修正值,即:
EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn，T0)
　　由此得E在3个固定点温度的修正值如下:
 
　　采用4种不同的冷端补偿方法检定S型短型热电偶的结果与被检偶的原始检定结果比较见表6。
 
　　从理论上,讲方法一的检定结果准确程度最高，因为在一个标准大气压下，冰和纯水的平衡温度为0℃，虽然实验室中用清沽的水和冰屑相混合放在保温瓶中达到热平衡的温度比0℃略低，约为-0.04℃左右，但是对热电偶测温的影响已可忽略。可是在实际的检定过程中,由于短型热电偶特殊的长度,结合各检定单位检定炉的实际情况，方法一无法作为一种常规检验短型热电偶的方法。比较被检热电偶的原始检定结果，从数据的接近程度看依次是:
锌点:方法一>方法二>方法三>方法四;
铝点:方法一=方法二>方法四>方法三;
铜点:方法一=方法二>方法三>方法四。
　　考虑到S型热电偶的运行性校验和稳定性考核等重要指标均选取在铜点进行，所以综合排序以铜点为主要指标，再结合考虑另外2个温度固定点的指标,笔者认为4种不同的冷端补偿方法的准确度从高到低依次应为:
方法一>方法二>方法三>方法四。
　　4种方法之中准确度最低的是用精密水银温度计进行测量并修正的方法四。这是因为与方法二和方法三相比较，此种方法中被检短型热电偶的参考端温度受到检定炉周围空气温度变化的影响最大，此时检定炉周围空气的温度受检定炉加热状态的影响而变化，精密水银温度测量到的参考端温度也会随之波动，而且检定炉设定的温度的升高，由这个影响量引入的测量误差也越来越大。这一点从方法四与方法一的数据比对可以验证，对3个固定点上的两组检定结果的差值分别为0.3℃锌点).0.3℃铝点)和0.7℃铜点)，即随着检定点温度的逐渐升高，检定结果的偏差也随之加大。此外此方法还包含精密水银温度计的修正值引入的误差和检定员对温度计估读所引入的误差，所以准确性最差。
　　同理,方法三的测量准确度居中的原因也是因为使用补偿导线延伸了被检短型热电偶的长度，使被检短型热电偶的参考端温度受到检定炉周围空气温度变化的影响减小了很多;主要测量误差是补偿导线的使用。此外,补偿导线的误差一般包括2种，一种是由于补偿导线的热电特性与所配用的热电偶不一致造成的，这点可以通过常补偿导线的修正值使用来消除;另一种是因补偿导线与热电偶参考端的两接点温度不一致造成的，在检定过程中应该绝对避免，要保证其连接处两接点温度相同。
3结论
　　实验结果印证了JJG668-97“参考端不能直接置入参考端恒温器的短型热电偶,其参考端应用达到一等标准热电偶准确度水平的同极性热电偶丝延伸至参考端恒温器”之规定。因为当被检短型热电偶的参考端温度不能置于参考端恒溫器时，这种方法能获得较为理想的补偿效果。