一种热电偶原位校准方法的研究

摘要:介绍了一种改进型热电偶在原有基础.上增加标准热电偶放置孔使被检热电偶电极与标准热电偶电极处于同一均温块内实现改进型热电偶原位校准。通过实验室校准与原位校准数据的对比及实验结果分析,表明该热电偶原位校准具有很好的实施性和正确性。
0引言
　　近年来随着工业技术的不断发展在生物医药、汽车制造航空航天、石油石化等领域热电偶温度传感器得到越来越多的应用。热电偶主要应用于工业生产中温度的控制及监测其输出温度正确与否直接关系到产品是否符合生产工艺要求。现阶段需要将热电偶从设备.上拆卸下来送到实验室才能进行计量校准但此过程一方面在拆卸过程中容易损坏热电偶及温度设备导致设备仪器无法正常工作;另一方面由于检定规程要求检定周期--般为半年故每半年就要进行一-次拆卸和安装.且送进实验室计量校准周期较长工业设备需停线待检在一定程度上降低了设备的生产效率。国内工业设计过程中很少考虑仪器仪表的校准对于热电偶原位校准"的研究更是几乎没有。热电偶原位校准可以实现热电偶不用拆卸在原有位置.上进行计量校准。因此热电偶原位校准的计量方式变得尤为重要。
1热电偶原位校准的研究
1.1热电偶工作原理
　　热电偶一般由热电极绝缘管,保护套管和接线盒等部分组成。按感温元件材料分为镍铬-镍硅热电偶(K型)、镍铬硅-镍硅热电偶(N型)、镍.铬-铜镍热电偶(E型)、铁-铜镍热电偶(J型)及铜-铜镍(康铜)热电偶(T型)。
　　热电偶测温的工作原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在热电动势这就是所谓的塞贝克效应(Seebeckefct[3。当有两种不同的导体或半导体A和B组成一一个回路其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为T1，称为工作端或热端另-端温度为T0称为自由端(也称参考端)或冷端,回路中将产生一个电动势该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关(4。热电动势只随测量端温度的变化而变化,即一定的热电动势对应着一定.的温度只需测量热电动势就可达到测温的目的。热电偶工作原理如图1所示。
 
1.2原位校准工作原理及基本结构
1.2.1工作原理
　　热电偶原位校准是指直接在热电偶工作设备上进行计量校准工作此校准方式避免了拆卸热电偶产生的各类问题。热电偶原位校准的实现须将热电偶进行升级改造增加放置标准热电偶的校准孔和均温块标准热电偶校准孔与热电偶电极平行均温块尺寸符合均温要求且热电偶电极顶端位置与校准孔顶端处于同一平面。计量校准时将标准热电偶插入到热电偶预制的均温块校准孔中被检热电偶的测温端与标准热电偶的测温端处于相同的均温场待温度设备温度稳定后,依据技术文件依次测量相应的温度值(电势差),即可得到热电偶的示值误差完成热电偶计量校准工作。
1.2.2基本结构
　　具有标准热电偶校准孔的热电偶主要由热电极、绝缘物、不锈钢外层保护套管及均温块等组成。基本结构如图2所示。
 
2试验分析
　　将温度设备(热处理炉)上的5根型号为K型,电极直径为0.5mm,仪器编号分别为1#、2#、3#、4#、5#的热电偶拆卸送至某计量机构温度实验室内进行校准,得到一组校准数据。利用本文研究的原位校准方法,使用相同的标准热电偶对以上5根热电偶进行校准得到另一-组数据,两组数据见表1。
 
　　由表1中的数据可以看出5根热电偶实验室校准与原位校准数据示值误差的最大差值为0.28℃几乎与热电偶本身测量重复性一致初步验证该方法科学合理、切实可行。
3原位校准的不确定度分析
3.1数学模型
　　被检热电偶的示值误差由下面方程得到:
 
　　式中:e为热电偶各校准点示值误差(℃);TR为热电偶各校准点示值(℃);Ts为标准热电偶各校准点的标准值(℃)。
3.2灵敏度系数.
 
3.3不确定度评定
3.3.1被检热电偶示值重复性引入的不确定度分量u(TR)
　　被检热电偶示值重复性的不确定度u(TR)属A类评定,正态分布。以热电偶常用温度点600℃为例温度点在600℃稳定后，对被校准温度计进行重复测量10次,数据为598.35,597.68,598.45,599.16,599.32598.27℃、597.85,599.50,598.08598.61℃。利用贝塞尔公式计算其实验标准偏差:
 
　　采用A类不确定度评定方法则由热电偶示值重复性引入的不确定度分量u(TR)):
 
3.3.2温度标准器引入不确定度分量u(Ts)
　　温度标准器引入不确定度分量包括显示装置分辨力引入不确定度分量u1二等标准铂铑10-铂热电偶引入的不确定度分量u2。
3.3.2.1显示装置分辨力引入的不确定度分量u1
　　显示装置显示的分辨力为0.01C服从均匀分布包含因子k取、√3则:
 
3.3.2.2二-等标准铂铑10-铂热电偶引入不确定度分量u2
　　本次校准采用的是二等标准铂铑10-铂热电偶标准不确定度分量可直接引用证书中600℃时的扩展不确定度0.5℃(k=2)则:.
 
4总结
　　针对热电偶原位校准技术的研究通过对热电偶增加标准热电偶校准孔及均温块实现热电偶的改进使热电偶不用拆卸,在原有位置上进行计量校准避免拆卸和安装热电偶产生的仪器损坏及生产效率的降低。该改进型热电偶市场前景广阔具有推广价值。