热电偶校准过程中的不同冷端补偿方法

摘要:在K型热电偶校准时,由于热电偶的长度不一,参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。比较常用的有3种的冷端补偿方法,现通过校准同一支K型热电偶,对结果进行比较分析,得到这3种方法得出的示值误差排序。结果表明,“将参考端采用达到高一等级的热电偶精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。
0引言
　　根据校准规范JJF1637-2017《廉金属热电偶校准规范》的要求，为保证热电偶测量结果的正确可靠,新制造和使用中的热电偶需要进行校准。校准过程中要求热电偶的参考端引入到冰点恒温器内,但是由于热电偶的长度长短不一,出现标准热电偶和被校热电偶的参考端不能同时置于冰点恒温器的情况。而结果判定的依据须以参考端为0℃的热电动势，因此需要将参考端不为0℃的热电动势修正为参考端温度为0℃的热电动势,然后带人计算公式中,得到正确的计算结果。
1实验方法
　　在校准过程中,可以有三种不同的冷端补偿方法,现以一支II级工作用K型(镍铬-镍硅)热电偶为例,长度为1200mm,经校准400℃,600℃,800℃的示值误差为1.2℃,1.3℃,1.3℃,然后截取长度为600mm为被校热电偶,实验条件:实验室温度恒定为20℃,湿度为40%RH,通过校准结果的计算分析,讨论各种方法的精度。
1.1冷端补偿方法一
　　将标准热电偶的参考端置于参考端恒温器内,被校热电偶的参考端用到达K型热电偶I级精度水平的同极性热电偶延伸至参考端恒温器内。
采用该方法校准时,标准热电偶的参考端置于充满冰水混合物的保温瓶之中,被校热电偶的参考端与延长用的1级K型热电偶同极性各端平行重叠,重叠部分约为10mm,用直径为0.2mm的漆包铜丝扎紧,困扎圈数为10圈。得到各校准点的温度数据,如表1。
 
　　查阅相关资料可得,标准热电偶在400℃,600℃,800℃的微分热电动势分别为9.57μV/℃,10.21μV/°C,10.87μV/C,K型热电偶在400℃600℃,800的微分热电动势分别为42.24μV/℃,42.51μV/℃,41.00μV/℃,则各个校准点的示值误差分别计算如下:
400℃时:
 
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温器内,被校热电偶的参考端用补偿导线将其延伸至参考端恒温器内。
　　采用该方法进行校准时,标准热电偶的参考端置于充满冰水混合物的保温瓶之中,被校热电偶采用K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之中,得到各校准点的温度数据,如表2。
 
各个校准点的示值误差分别计算如下:
　　400℃时:△t400=1.3℃;600℃时:△t00=1.39℃;800℃时:L8g00=1.4℃。
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，被校热电偶的参考端放置精密水银温度计进行测量并修正。
　　用此方法进行校准时，标准热电偶的参考端置于充满冰水混合物的保温瓶之中,被校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,得到三个校准点的校准数据如表3(已经对精密水银温度计引入的误差进行了修正)。
 
　　参考端温度分别为20.10℃,20.28℃,20.30℃,
　　需要注意的是,示值误差计算公式中的热电动势要求带人的是参考端温度为0℃的数值,而此种校准方法得到的被校热电偶读数的参考端温度不符合要求,因此必须将被校热电偶的参考端温度修正到0℃才能带人计算公式，否则计算结果会出现错误。
　　查表得在三个参考端温度的修正值分别为:0.803mV,0.809mV,0.810mV,因此经修正过的被校热电偶在:
400℃时电势值e=15.6678+0.803=16.4708(mV);
600℃时电势值e=24.3576+0.809=25.1666(mV);
8009C时电势值e=32.5585+0.810=33.3685(mV)。.
　　通过进一步计算可得到各个校准点对应的示值误差为:
400℃时:△t400=1.6℃;600℃时:△t600=1.6℃;
800℃时:△t800=1.6℃。
2结果与讨论
　　以上三种方法,综合得到的结果见表4。
 
　　由以上数据可知,在三种方法中,方法一最接近原始数据,方法三与原始数据的偏差最大。经分析，方法一相当于直接把被校热电偶的长度延长,达到放入参考端恒温器的目的,数据基本一致。
　　方法三的精度最低,因为用精密水银温度计进行测量并修正，与方法一和方法二相比较,此种方法中被校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。
　　同样的,方法二的测量精度居中的原因也是因为使用补偿导线延伸了被校热电偶的长度,使被校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。必须注意的是补偿导线与热电偶参考端的两接点温度不一致容易造成误差,在校准过程中应该绝对避免，要保证其连接处两接点温度相同。
　　因此得出在校准热电偶的过程中,必须使用补偿导线进行温度补偿,而将参考端采用达到高一等级的热电偶精度水平的同极性热电偶丝延伸至参考端恒温器的方法能获得较为理想的补偿效果。