工业用热电偶现场校准问题解析

摘要:工业用热电偶的现场校准普遍采用干体式温度校准炉，与实验室校准所使用的检定炉存在较大的差异，往往在实验室检定合格的工业用热电偶，在工业现场进行校准时，误差却相差很大。因此，从热电偶的测温原理、基本定律、标准仪器等方面对上述问题进行了实验，最终得出影响热电偶现场校准的主要因素。
1引言
　　自塞贝克发现热电效应以来，随着科学技术的不断发展，热电偶已经成为目前温度测量领域中应用最为广泛的感温元件之一。其主要优点是:测温范围广，可以在1K-~2800K的广阔温域内进行测量;性能稳定、准确可靠，此外，还有结构简单、热惯性小、动态响应速度快、信号能够远距离传送和多点测量等优点，便于实现集中检测与控制。因此，在工业生产和科学等领域中，广泛地应用热电偶来测量温度。
　　对工业用热电偶的校准(300℃以上，以下不做说明),在普遍使用检定炉、标准热电偶、测量仪器等设备,采用比较的方法进行。其中，为了减少导热误差，必须保证热电偶的插人深度,检定炉的长度一般为600mml;在工业现场普遍采用干体式温度校准炉、标准仪器等设备，同样采用比较的方法:进行。但是，干体式温度校准炉的深度基本在200mm左右。那么，干体式温度校准炉是否适合于所有工业用热电偶的校准?
2热电偶的有关概念与基本定律
2.1热电偶有关概念
2.1.1热电偶工作原理
　　由两种不同金属或合金A、B组成，如图1左图的闭合回路，是最简单的热电偶回路，这两种不同金属或合金的组合就称为热电偶。
 
　　实际测温中的热电偶回路如图1右图所示，A.B称为热电极,它们的一端通常焊接在一起形成接点，称为测量端(工作端或热端)，而另一端称为参考端(自由端或冷端)。测温时，将热电偶的测量端置于被测温场中,其参考端恒定在某温度下(通常为0℃),然后通过连接导线与测量仪表相连。由于热电偶两端所处的温度不同，在热电偶回路中就有电动势产生。用测量仪表测得电动势的数值后，便可间接知道相应的温度或者直接由测量仪表指示出温度。
2.1.2热电偶回路中的总热电势
　　热电偶回路中的总热电势为接触电势与温差电势的叠加。通过一系列数学运算后，可以得到以下几个重要结论:
(1)热电偶回路中总的热电势的大小与组成热电偶的材料及两端温度有关，而与热电偶的形状和几何尺寸无关。热电偶回路中总热电势的方向与热电偶两端温度有关。由于温差电势较接触电势小得多,故总热电势方向就是测量端接触电势的方向。
(2)如果热电偶的两极材料相同，则两接点处的接触电势等于零，而两热电极的温差电势大小相等，方向相反，回路中总热电势等于零。如果热电偶两端温度相同，则两热电极的温差电势等于零，而两接点处的接触电势大小相等，方向相反，回路中总热电势也等于零。因此，只有当热电偶两接点温度不同时才有热电势产生。
(3)若组成热电偶的材料一定，则热电偶回路中总热电势的大小仅与两接点温度有关，也就是说:热电势是两接点温度的函数，其大小为两个接点温度的函数差。如果想办法使热电偶参考端温度保持恒定，总热电势只与测量端温度有关，成单值函数关系。热电偶回路中的热电势与温度的关系称为热电偶的热电特性。
2.2基本定律.
2.2.1均质导体定律
　　由一种均质导体(或半导体)组成的闭合回路,不论导体(或半导体)的截面和长度如何以及各处的温度分布如何，都不会产生热电势。
2.2.2中间导体定律
　　在热电偶回路中接入第三种金属材料，只要这第三种金属材料两端的温度相同,热电偶产生的热电势保持不变，不受第三种金属接入的影响。
　　利用热电偶的这个特性，可以在热电偶回路中引人各种测量仪表和连接导线，而且也可以采用各种焊接方法来焊接热电偶，只要保证中间导体本身两端温度相同，就不致影响热电偶的热电势值。同时,根据这个基本定律，还可以利用开路热电偶测量液态金属和金属壁面的温度。
2.2.3参考电极定律
　　若将某一热电极作为参考电极(也称标准电极),若已知参考电极与各热电极组合配对时的热电势，则可求出这些热电极彼此任意组合时的热电势。
2.2.4连接导体定律与中间温度定律
　　在热电偶回路中，如果热电极分别与连接导线相连接，则回路中的总热电势等于热电偶的热电势与连接导线的热电势的代数和。
　　连接导线定律为在工业测温中应用补偿导线提供了理论基础。这样，只要选配与热电偶的热电特性相同的补偿导线，便可使热电偶的参考端远离热源而不影响热电偶的测温正确性。
　　中间温度定律为使用分度表奠定了理论基础。根据这个定律，只要知道参考端温度为0℃时的热电势与温度的关系，则参考端温度不等于0℃的热电势都可求出;反之，若已知参考端温度不为0℃时的热电势值，也可以求出参考端为0℃时的热电势值。在现场实际测温时，常用此公式来修正参考端的温度。
 
3实验过程描述
3.1实验前的准备
　　采用Fluke744作为测量标准器，通过补偿导线与被校热电偶连接,组成测量电路，根据中间导体定律与连接导体定律，该测量电路不影响热电偶的测温。选取的被校热电偶，如表1所示，分别在干体式温度校准炉Fluke9173(自带L型精密铂电阻参考测温仪)以及卧式检定炉中进行实验，如图2所示。恒温设备的技术参数如下:
 
(1)干体式温度校准炉Fluke9173:测量范围为50-700℃，井深为203mm;
(2)卧式检定炉:测量范围为300-1200℃,长度600mm。
 
3.3实验结果的分析与问题探讨
　　通过实验，对比在插人深度为200mm左右的干体式温度校验炉中的校准结果与在插人深度为300mm左右的卧式检定炉中的校准结果的差值，可以得到以下结果:
长度在400~1000mm的铠装热电偶与长度在600mm以下的工业热电偶，差值比较小;长度在600~1000mm的工业热电偶，差值比较大。并且该差值随着热电偶长度的增加而增大，随着实验温度点的增加而增大。
　　根据热电偶的均质导体定律,有以下几个结论:
(1)如果热电偶是由两种均质导体组成，则热电偶的热电势仅与两接点温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。
(2)如果热电偶的热电极是非均质导体，则相当于不同性质热电极构成的热电偶。在不均匀温场中测温时将造成测量误差。
对照结论(1)与实验结果，可以发现矛盾:热电偶的热电势值与插人温度源中的长度有关，而非结论(1)所描述。
对照结论(2)与实验结果,本文对所选用的热电偶材质进行了分析，发现热电极为均质导体。对插人卧式检定炉中的深度缩短至200mm左右,结果得出与干体式温度校验炉同样的数据。
综上分析，得到以下结论:
(1)热电偶在校准时，校准结果与插人深度有关。不论在现场校准还是实验室校准时，容易受环境温度等外界条件的影响，也就是说温差电势与接触电势相比，占据比较大的比例，远远超出可以忽略的程度，只有保证了足够的插入深度，才可以降低温差电势。因此，我们必须严格按照JJG351--1996《工业用廉金属热电偶检定规程》以及JJF1262--2010《铠装热电偶校准规范》的要求进行，否则将产生比较大的偏差。(2)铠装热电偶在校准时，对温度源的稳定性要求比较高，JJF1262-2010明确要求要配备均温块进行校准。在工业现场校准时，干体式温度校验炉虽然满足了插入深度的要求，但是工业现场条件往往比较恶劣，导致校验炉内温度波动比较大，进而产生偏差。
(3)工业热电偶的现场校准存在比较麻烦的问题，JJG351-1996中明确规定热电偶的插人深度在300mm及以上，而目前干体式温度校验炉的井深均在250mm以下。因此，对于长度在600mm及以上工业热电偶，现场校准是不合适的，存在比较大的偏差;对于600mm以下的工业热电偶，本文认为可以尝试使用配置标准参考温度计的干体式温度校验炉进行，如果偏差过大，还需实验室校准。