基于恒温油槽的热电偶自动检定系统设计

摘要:根据低温热电偶实验室校准需求,介绍了低温热电偶自动检定系统的设计与研发过程。并通过该系统,将低温热电偶的校准方式由手动提升为自动,提高了校准效率。为验证该系统的可靠性,将其与上级计量站对同一支热电偶的校准结果进行对比,验证结果为满意,可将其应用于低温热电偶的日常校准工作。
0引言
　　热电偶常用于发动机整机及零部件试验中的温度参数测量,因此,为保证测量的准确可靠,需对热电偶进行校准。由于日常低温热电偶(300℃以下温区的铠装热电偶、廉金属热电偶、工作用铜-铜镍热电偶)的校准工作中,需采用恒温油槽提供均匀温场,但目前实验室仅在校准300C以上温区热电偶时,使用群炉热电偶自动检定系统,基于恒温油槽的低温热电偶校准均为手动(包括手动设置恒温槽温度、手动读取数字多用表显示的热电势值，与有自动检定系统的高温热电偶校准相比,校准人员需投人更多的时间和精力。因此,搭建了基于恒温油槽的低温热电偶自动检定系统,实现了低温热电偶的自动检定/校准,从而减少不必要的人力投人，提高了低温热电偶校准效率。
1自动检定系统简介
1.1系统组成及功能
(1)计算机:开发软件程序，与恒温槽、数字多用表、堆栈式测温仪通讯,实现对恒温槽的温度控制，读取数字多用表及堆栈式测温仪的测量值。
(2)恒温槽:为被校热电偶测量端提供与校准温度点近似的均匀温场。
(3)零度恒温器:为被校热电偶参考端提供近似0℃的均匀温场。
(4)标准铂电阻温度计:测量恒温槽的实际温度(校准温度点附近)。
(5)数字多用表:测量标准铂电阻温度计的电阻值。
(6)堆栈式测温仪:测量被校热电偶的热电势值。
1.2系统工作原理(见图1)
 
　　采用比较法进行校准,将被校热电偶与测量标准置于恒温槽中,测量标准感温点与被校热电偶测量端置于有效工作区域的同一水平位置,插人深度≥200mm;将被校热电偶参考端与堆栈式测温仪的专用导线连接后,置于零度恒温器内,插人深度≥150mm。当测量标准温度偏离校准温度点±0.5℃以内、温度变化≤0.05℃/min时开始读数,读数顺序见图2。
 
　　每支被校热电偶的读数不少于4次,且每一校准温点的整个读数中,温度变化应不大于0.1℃。通过标准铂电阻温度计测得电阻值,可知恒温槽与校准温度点的偏差为:
 
　　式中:△t---恒温槽实测温度与校准点温度之差,℃;tn---校准点温度,℃;t´---校准时，恒温槽.的实测温度(接近tn),℃;Rt、Rtp---标准铂电阻在实际温度点和水三相点测得的电阻值,Ω;W^s_tn---标准铂电阻在校准温度点tn的电阻比值;(dW^s_t/dt)t=tn---标准铂电阻在校准温度点的电阻比值对温度的变化率。
　　由此可得,被校热电偶在校准温度点的电势值E(tn)为:
 
　　校准结果处理:标准铂电阻温度计的实测温度保留两位小数,被校热电偶的热电势保留3位小数，示值误差和不确定度均保留1位小数。
系统搭建过程
2.1硬件搭建
　　整个系统硬件搭建过程包括三个部分,即:
(1)计算机与油槽通讯:二者连接成功后,通过计算机编程,输出设置恒温槽温度的命令,将人工操作恒温槽前面板的控制键转化为程序操作，实现目标校准温度点的自动设置。
(2)计算机与数字多用表通讯:二者连接成功后,通过计算机编程,输出读取数字多用表测得值的命令,将读取的标准铂电阻温度计的电阻值转换为恒温槽实测温度,得到与校准温度点的偏差,并填人原始记录表格,实现恒温槽实测温度的自动记录。
(3)计算机与堆栈式测温仪通讯:二者连接成功后,通过计算机编程，输出读取堆栈式测温仪测得值的命令,将人工读取电测设备测得的被校热电偶热电势值转化为程序读取,并填人原始记录表格，实现被校热电偶热电势值的自动读取和记录。
2.2软件搭建
　　该系统基于VB6.0软件开发平台，程序框架见图2。由于实际工作中多为2个校准温度点,因此以1个和2个校准温度点为例。
 
 
3系统工作过程
　　系统工作前,需先将被校热电偶按顺序与堆栈式测温仪各通道的专用导线连接,然后将热电偶测量端(热电偶两极焊接处)插人恒温槽恒温区的玻璃管底部，再将热电偶参考端(热电偶与导线连接处)插人零度恒温器,最后将标准铂电阻温度计插人恒温槽,并将铂电阻引出的四根导线与数字多用表连接。运行程序时，系统主界面见图3,其工作过程按程序框架执行。
 
4系统验证
　　利用归一化偏差En验证该系统的可靠性。选取1支工作用铜-铜镍热电偶,将系统进行自动校准和送至国防军工2111二级计量站校准得到的100℃、200℃的校准数据及测得值的不确定度两组数据进行比对,见表1。
 
5结束语
　　通过建立基于油槽的低温热电偶自动检定系统,改变了低温热电偶的手动校准现状,并与上级计量站校准结果进行比对，验证了该系统开展低温热电偶自动校准工作的可靠性,可将其应用于低温热电偶的日常检定/校准工作中。