热电偶校准参考端温度的合理选择

发布时间:2021-01-18     浏览次数:
一、规程对参考端温度的规定
       对仪器示值的检定或校准,是将仪器与一个精度高的标准直接或间接的比较过程。仪器的示值特性可以描述为
y=ƒ(x1,x2,....,xn)
式中:y----输出值;x1....,Xn--明显影响输出值的输入参数。
       作为评价仪器合格与否的检定工作,必须对x1,....,xn所有输入参数在标称工作范围内的有效组合下进行测量,才能评价仪器是否合格或超差。如果对每个输入参数xi取ki个检测点,则总共.有k1,k2......,kn个输入参数的组合,显然多元输入参数仪器的检测工作量是很大的,减小ki值或对一些输入参数取固定值,可以简化检测工作,但同时也会带来评价不全面的问题。
       在不考虑不均匀电势等因素影响的情况下,理想热电偶的热电势e是其两端温度的二元函数,即e=ƒ(t,tr)。式中,t和tr分别是测量端温度和参考端温度。显然,只,有在tr确定的情况下,e和t才有确定的关系,才便于测量温度。另外,热电偶的示值误差是以分度表的数据为基准的,而分度表(或其多项式)的参考端为0℃,故现行热电偶检定规程均规定,检定时参考端温度为0℃(B偶要求可较宽)。若实际使用的热电偶参考端不是0℃就需要对参考端温度t,进行修正或补偿。
二、借用中间温度定律补偿存在的问题
       图1~图5是参考端温度的几种不同补偿方式(其中,补偿导线的影响与本文内容无关,看做是热电偶的一部分,省略没画出)。
       图1使用了0℃恒温器,其参考端温度为0℃,所测量的热电势不需要修正,但采用0℃恒温器成本太高且不方便,只有在检定和校准实验室以及少数实际使用场合下才采用这种补偿。

       图2~图5没有使用0℃恒温器,其中图2是手动补偿,图3~图5是自动补偿,如今的温度仪表多采用图5的补偿方式。图2~图5本质上都是将参考端放置在--个比较稳定的温度tr下进行补偿的。通过查表、电路产生测量转换,模拟出-段测量端温度为tr参考端为0℃的热电偶,和实际热电偶串联,把实际热电偶的参考端温度从t,模拟到0℃,并“借用”中间温度定律,测量出实际温度t:
e(t,tr,0℃)=e(t,tr)+e(tr,0℃)(1)
       式中:e(t,tr,0℃)一仪表在显示温度之前所得到的总热电势;e(t,tr)-热电偶自身产生的热电势;e(tr,0℃)-补偿产生的电势。e(tr,0℃)只与分度号及tr,有关,与具体热电偶特性无关,在不考虑tr,测量误差和补偿电路本身产生的误差的情况下,e(tr,0℃)理论上等于温度I,对应的分度表电势值,并没有包括热电偶在(tr,0℃)温度段的实际误差值即利用式(1)所进行的补偿,除非通过实际测量得到e(tr,0℃)值,否则用式(1)中间温度定律只能是理想化的近似补偿,这将导致检测和实际使用两种场合下的量值复现偏差。
三、不同参考端温度下热电偶量值复现偏差测量实例
       下面通过实际测量不同参考端温度时的误差,进-步说明量值复现偏差。其中,参考端为0℃的误差是按照规程测量得到的;参考端为23℃和50℃的误差用于代表实际使用条件下的误差,它根据式(1)中间温度定律“补偿”到0℃。
       为测量方便,被测热电偶选用长度为3m以上的聚四氟乙烯或不锈钢铠装型热电偶。不用温场差的热电偶检定炉,测量端和参考端均用精密恒温槽,恒温槽指标为:波动度为0.003℃、均匀度为0.01℃;标准器用二等铂电阻温度计;电测仪器为2182A数字纳伏表,配用B365型低电势转换开关,实测B365寄生电势小于0.2μV;热电偶参考端和转换开关的连接导线为全新纯铜导线,其热电势实测小于0.005μV/℃。
       测量时,热电偶测量端和一支标准铂电阻一起插入油槽,并始终保持固定不动,参考端和另一支标准铂电阻一起插入低温槽或水槽中,测量端和参考端插入深度均为30em。依次设置测量端温度为100℃和200℃,参考端温度为0℃、23℃C和50℃。对每一温度点在恒温时间大于1h后才开始测量。测量数据用计算机正确计算,包括恒温槽温度、补偿电势值温度误差值等。表1是许多测量中的其中-组I级KJ、E分度号热电偶的测量结果。
       由表1可见,在相同测量端温度下,参考端23℃和50℃的误差相对于参考端09C误差的偏差分别达到0.1℃~0.3℃和0.1℃~0.5℃。偏差值和具体的热电偶有关,有些热电偶实测的偏差值比表1还要大。

四、校准时参考端温度的合理选择
       通过以上分析和实际测量说明:检测时和使用时参考端温度不同,会产生量值复现偏差。检定必须执行检定规程,参考端只能是0℃;校准没有法制性要求,方法可以比较灵活。如果能知道热电偶实际使用时的参考端(平均)温度,并选用此温度作为校准时的参考端温度,则最能体现量值溯源的实际情况,减小量值复现偏差。
       但实际使用下的参考端温度,校准机构和用户都难以知道。根据资料,全国主要城市的年平均气温都在0℃以上。故实际使用的工作用热电偶,参考端处于平均室温附近或更高温度(热电偶主要用于加热设备)的机会远远高于处于0℃的机会。在难以知道实际使用的参考端温度的情况下,选择当地(平均)室温附近的温度(如23℃±59℃)作为校准时的参考端温度,总体校准结果将比参考端在0℃下更为符合实际情况。或者说,对于热电偶校准,参考端可以选择-个温度处于室温附近的恒温器,只要其温场性能满足要求,不一定要选择0℃恒温器。并且选择室温附近的恒温器还有以下优点:
(1)适用较粗、较短的热电偶校准。由于较粗、较短的热电偶的参考端很难直接按规程要求插到冰点瓶中,与其用补偿导线引到0℃恒温器,不如用补偿导线引到一个稳定的室温附近的恒温器中,这样补偿导线两端的温差较小,由补偿导线引入的误差就比较小。
(2)室温附近的恒温器比较容易获得。例如,用高导热系数材料(如纯铝)容易制作-款室温下温场均匀度很高和稳定度良好的恒温器,可供校准装置使用,省去冰点瓶制冰、刨冰和维护的麻烦。
五.结束语
       现行热电偶检定规程要求检定时参考端温度为0℃,但实际使用时参考端温度通常不是0℃,参考端温度不同会导致检测和使用两者的量值复现偏差。以热电偶实际使用条件下的参考端温度作为校准时的参考端温度是最为严谨的选择。
       用实验室环境温度(如23℃±5C)作为校准时参考端温度,在通常情况下比用0℃更接近实际情况,也是一种合理选择,不仅容易获得校准时的参考端恒温器,还可以减小量值复现偏差,使校准数据更具有实际意义。
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