熱電偶檢定爐溫度場測試方法的探討

摘要:對熱電偶檢定爐溫度場的測試方法進行了探討，并對測試中應(yīng)注意的細節(jié)問題進行了討論。
0引言
　　任何測量結(jié)果都是與測量方法有關(guān)的，當(dāng)測量方法不同時，測量結(jié)果可能不同。因而選擇正確的測量方法尤為重要，熱電偶檢定爐溫度場的測試也不例外。熱電偶檢定爐的溫場測試項目包括軸向溫差和徑向溫差，測試中如何消除溫場波動及兩支測試熱電偶熱電特性差異對測試結(jié)果造成的影響是獲得準(zhǔn)確的溫場數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。
　　本文針對JJF1184-2007熱電偶檢定爐溫場測試技術(shù)規(guī)范》中微差法進行測試的基本原理和數(shù)據(jù)處理方法進行分析，并在此基礎(chǔ).上提出對徑向溫場測試方法的改進意見。
1微差法測量原理
　　采用微差法進行熱電偶檢定爐溫場測試時，兩只熱電偶的負極短接，正極分別接入測試儀表的正極和負極，其等效電路如圖1所示。
 
　　根據(jù)電子線路中的環(huán)路定律可知，此時測試儀表.讀數(shù)值U=UA-UB,其中Us為熱電偶A的熱電勢值,UB為熱電偶B的熱電勢值。
　　用微差法測試熱電偶檢定爐的優(yōu)點是:測量時相當(dāng)于同時讀取了熱電偶A和熱電偶B的讀數(shù)，所以讀數(shù)過程中溫場波動對兩支測試熱電偶的影響是相同的。
　　由于微差法讀取的是電偶A和電偶B的差值，因此在測:量結(jié)果中可以直接消除溫場波動的影響。然而在使用微差法測量時由于熱電偶A和熱電偶B之間存.在熱電特性差異，所以在讀取的兩只熱電偶的差值中帶有由熱電偶A和熱電偶B之間熱電特性引入的測量誤差。如果不消除這種差異，對結(jié)果會有較大的影響。
　　例如:標(biāo)準(zhǔn)證書上給出熱電偶A在1000℃的電勢值為10.584mV,熱電偶B的電勢值為10.580mV。假如測試過程中兩個位置點的實際溫度完全相同正好為1000℃,那么理論上測試儀表的讀數(shù)應(yīng)該為0mV,但由于兩支熱電偶熱電特性的差異，實際讀數(shù)可能不為0mV，我們稱該值為e。因此，在使用微差法進行熱電偶檢定爐溫場測試時，還應(yīng)注意選擇正確的計算和測試方法，保證消除由兩只熱電偶熱電特性差異對測量結(jié)果造成的影響。
2軸向溫場的測試
　　測試軸向溫度場時，一支熱電偶的測量端放置在檢定爐中心位置固定不動，另--支熱電偶的測量端沿軸向在距離爐子中心點±5cm的范圍內(nèi)每間隔1cm移動。使用微差法測量時示意圖見圖2。
 
　　在軸向溫度場測量過程中，當(dāng)兩只熱電偶的測量端都處于爐子中心點位置“0”時見圖2)，測得的熱電勢差值△E軸00實際上是兩只熱電偶之間的熱電特性差異引入的電勢差值。
　　按照JJF1184-2007熱電偶檢定爐溫場測試技術(shù)規(guī)范》中給出的數(shù)據(jù)處理方法，移動熱電偶在任一點相對于“0”點的熱電動勢的差值按照公式()計算:
 
　　式中:△`E軸(t)io為移動熱電偶在任一點相對于“0”點的熱電動勢的差值;△`E軸(t)i為移動熱電偶與固定熱電偶在任一點的熱電勢差值的算術(shù)平均值;△`E軸(t)0為移動熱電偶與固定熱電偶在“0”點的熱電勢差值的算術(shù)平均值。
　　從公式中可以看出，移動熱電偶在任意點相對于“0”點的熱電動勢差值中△`E軸(t)io消除了由兩只熱電偶之間熱電特性差異引入的電勢差值△`E軸(t)o對測量結(jié)果的影響。
3徑向溫場的測試
　　貴金屬熱電偶檢定時是將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶的測量端捆扎在一起，形成直徑較小的熱電偶束,即形成-一個“點”的溫度，可以不考慮檢定爐徑向溫度場的影響。而廉金屬熱電偶檢定時，不能將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶的測量端直接捆扎在-起，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶需要石英管的保護，被檢熱電偶的直徑較大，整體捆扎后形成的熱電偶束的直徑約1~3cm,所以對于廉金屬熱電偶檢定爐必須考慮徑向溫度場給標(biāo)準(zhǔn)和被檢熱電偶測量結(jié)果帶來的影響。
 
　　圖3是徑向溫度場測試示意圖。測試時，中心測試定位管中插入一支熱電偶作為固定熱電偶，徑向測試定位管中插入一支熱電偶作為移動熱電偶。在徑向溫場測試過程中，關(guān)鍵是如何獲得兩只熱電偶之間熱電特性差異引入的電勢差值△`E軸(t)o,下面分別對JJF1184-2007和本文提出的徑向溫場測試方法進行討論。
3.1規(guī)范給出的測試方法.
第一步:不同位置熱電動勢差值△`E徑(t)i;的測量。
　　將固定熱電偶TI插入中心測試定位管中置于檢定爐軸線的幾何中心位置不動，移動熱電偶T2置于徑向測試定位管軸線的幾何中心位置。順時針旋轉(zhuǎn)移動熱電偶T2，使其分別在.上、右、下、左的位置.上進行熱電動勢差值△`E順(t)i:的測量。然后逆時針旋轉(zhuǎn)移動熱電偶T2，使其分別在左、下、右、上的位置進行熱電動勢差值△`E逆(t)i的測量。將同一位置上的兩次測量值△`E順(t)i:與△`E逆(t)i相加，取平均值作為該位置上熱電動勢差值△`E徑(t)i0。不同位置熱電動勢差值按公式(2)計算。
△`E徑(t)i=(△`E順(t)i+△`E徑(t)i)/2。(2)
　　以上側(cè)位置為例:順時針旋轉(zhuǎn)移動熱電偶時，上側(cè)位置熱電偶與中心位置熱電偶實際溫差對應(yīng)的電勢值為△`E順(t)i=E上+e，逆時針旋轉(zhuǎn)移動熱電偶時，上側(cè)位置熱電偶與中心位置熱電偶實際溫差對應(yīng)的電勢值為△`E逆(t)i=E上+e。則有
△`E逆(t)i=（△E順(t)i+△E逆(t)i/2
=（E上+e+E上+e）/2
=E上+e（3） 
第二步:“0”點位置熱電勢差值△`E徑(t)0的測量。
　　“0”’點位置熱電勢差值按照規(guī)范要求在左側(cè)位置進行測量。將固定熱電偶T1插人中心測試定位管中置于檢定爐軸線的幾何中心位置不動，移動熱電偶T2置于徑向測試定位管軸線的幾何中心位置。在左側(cè)位置上進行熱電動勢差值測量，記為△E(t)左1;然后將旋轉(zhuǎn)滑塊繞滑塊中心旋轉(zhuǎn)180°，再次進行左側(cè)位置上熱電動勢差值測量，記為△E(t)左2,將兩次測量值的平均值作為徑向溫差測量時由兩只熱電偶之間熱電特性差異引入的電勢差值△`E徑(t)0則有
△`E徑(t)0=(△E(t)左1+△E(t)左2)（4）
　　滑塊旋轉(zhuǎn)前，左側(cè)位置熱電偶與中心位置熱電偶實際溫差對應(yīng)的電勢差值為△E(t)左1=E左+e。旋轉(zhuǎn)滑塊繞滑塊中心旋轉(zhuǎn)180°后，左側(cè)位置熱電偶與中心位置熱電偶實際溫差對應(yīng)的電勢差值為△E(t)左2=-E左+e(e為兩只測試熱電偶熱電特性差異引人的電勢差值)，則有
△`E徑(t)0=(△E(t)左1+△E(t)2)/2
=(E左+e-E左+e)/2(5)
=e
　　按照JJF1184-2007《熱電偶檢定爐溫場測試技術(shù)(t)規(guī)范》中給出的數(shù)據(jù)處理方法，移動熱電偶在任一點(t)相對于“0”點的熱電動勢差值△E徑(t)i0按公式(6)(t)計算:.
△E徑(t)i0=△`E徑(t)i-△`E徑(t)0
=E上+e-e(6)
=E上
　　由此可以看出通過測量和計算可以消除掉由兩只熱電偶熱電特性不一致引人的誤差e。
3.2簡化的測試方法
　　在實際工作中我們對徑向溫差的測試方法進行了簡化。簡化后只需一步測量就可以得到消除了e的徑向溫場值。
　　首先將固定熱電偶T1置于中心定位測試管中，移動熱電偶T2置于徑向定位測試管中，順時針旋轉(zhuǎn)移動熱電偶T2,使其分別在左、上、右、下的位置上進行熱電動勢差值的測量，記為△E徑(t)i旋轉(zhuǎn)前，則有
△E(t)i旋轉(zhuǎn)前=E(t)i+e(7)
　　然后將旋轉(zhuǎn)滑塊旋轉(zhuǎn)180°，則兩只測試熱電偶交換位置，即熱電偶T2置于檢定爐軸線的幾何中心的位置，在中心定位測試管中作為固定熱電偶，熱電偶T1置于徑向定位測試管中作為移動熱電偶。順時針旋轉(zhuǎn)移動熱電偶T1,使其分別在左、上、右、下的位置上進行熱電動勢差值的測量，記為△E徑(t)i旋轉(zhuǎn)后，則有
△E徑(t)i=-E(t)i+e(8)
　　式中:E(t)i為移動熱電偶和固定熱電偶在任一位置實測溫差對應(yīng)的電勢值;e為移動熱電偶和固定熱電偶熱電特性差異引人的電勢差值。
　　測量完成后將同一位置上的兩次測量值相減除2即為該位置上熱電動勢差值△E徑(t)i0;
△E徑(t)i0=(△E徑(t)i旋轉(zhuǎn)前
=△E徑(t)i旋轉(zhuǎn)后)/2
=(E(t)i+e+E(t)i-e)/2(9)
=E(t)i;
　　由式(9)可以看出，通過上述測試方法和計算公式，同樣可以消除兩只熱電偶之間熱電特性引人的電勢差值e。
4結(jié)束語
　　通過對以，上兩種測試方法分析和比較可以看出，改進后的測試方法和計算方法較規(guī)范中給出的測試方法更加簡便易行，采用這種方法對熱電偶檢定爐進行溫場測試時可以減少測量次數(shù)，提高工作效率。熱電偶檢定爐溫度場的測量方法看似很簡單，但是如果在測量時不注意細節(jié)將會給測量結(jié)果帶來影響。