熱電偶電動勢的測量偏差分析

摘要:直流電位差計(jì)可以較準(zhǔn)確地測量出被測值，但仍舊存在一定的偏差。對運(yùn)用直流電位差計(jì)測量熱電偶熱電動勢產(chǎn)生的偏差進(jìn)行分析，計(jì)算了測量系統(tǒng)的A類和B類不確定度。介紹了可以修正測量系統(tǒng)部分偏差的方法，說明了可略去的偏差原因.
0引言
　　熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)上常用測溫儀表中的測溫元件，它能直接測量溫度，并把溫度這個物理量轉(zhuǎn)換成熱電動勢[1].因此，對熱電動勢值的準(zhǔn)確測量可提高測溫的準(zhǔn)確性、直流電位差計(jì)是利用直流補(bǔ)償原理制成的一-種測量儀器、所謂補(bǔ)償法也是一種比較測量法，測量準(zhǔn)確度比較高，除測量電壓外，還用于測量電流、電阻、電功率(2].但是，采用直流電位差計(jì)測量熱電偶的熱電動勢，也會和其他儀器一樣產(chǎn)生一定的偏差，下面就其在測量熱電偶熱電動勢時的不確定度進(jìn)行分析計(jì)算.
1電位差計(jì)測量電動勢原理
　　如圖1所示是直流電位差計(jì)的原理圖，可分為三個回路[2].
 
　　回路III為工作電流回路，有輔助電源E,可變電阻Rp,調(diào)節(jié)電阻R和標(biāo)準(zhǔn)電阻RN.它的任務(wù)主要是提供一個穩(wěn)定的工作電流.
　　回路I為校準(zhǔn)回路，標(biāo)準(zhǔn)電池Es用來校準(zhǔn)工作電流，把開關(guān)S合向1時，調(diào)節(jié)Rp改變工作電流，檢流計(jì)指零時有
Es=IRN(1)
　　回路II為測量回路，保持工作電流不變，把開關(guān)S合向2時，調(diào)節(jié)電阻R，若檢流計(jì)指零，表明被測電勢Ex與電阻R上的壓降相互補(bǔ)償，即
 
2測量系統(tǒng)中可修正及可忽略的偏差
2.1可修正的偏差
 
　　測量電路中，各種接觸點(diǎn)很多，不可能做到完全歐姆接觸，而且接點(diǎn)的熱容量也各不相同，因而不可避免地會產(chǎn)生附加電勢，即寄生電勢，它與被測熱電動勢值相疊加從而影響被測量值.減少寄生電勢的方法是電流換向法，考慮到寄生電勢方向與電流方向無關(guān)，故本文采用如圖2(見15頁)所示的測量電路.
 
2.2可忽略的偏差
　　在測量電路配制中，盡量使用偏差可略的元件，其中包括:調(diào)節(jié)電阻Rp調(diào)節(jié)不夠所造成的偏差;因工作電流和被測熱電勢數(shù)值都較低且漏電并不嚴(yán)重，所以絕緣電阻達(dá)不到理想狀況的無窮大而引起的偏差也可忽略;在配制較好的穩(wěn)壓電源情況下，可忽略工作電流回路輸出端電壓變化帶來的偏差[3].
3熱電偶熱電動勢測量值的不確定度
3.1A類不確定度UA
　　表1是電位差計(jì)在熱電偶溫差一定時的熱電動勢測量值，共計(jì)10次.
 
　　由此看到該項(xiàng)偏差就是電阻上的偏差，主要有溫度偏差和制造調(diào)整偏差.對于本測量使用的UJ31型電位差計(jì)標(biāo)準(zhǔn)使用溫度是15~25℃,檢定溫度是20±1℃,設(shè)溫度每變化1℃電阻相對變化量為α，20±1℃到25℃之間溫度相對變化的最大可能值則為
rtmax=6(αR一αRN)
　　而UJ31電位差計(jì)的|αR-αRN|≈7X10^-6,所以電阻上的溫度偏差為;
rtmax=6(αR-αRN)≈42X10^-6≈0.0042%
　　UJ31電位差計(jì)在制造時將電阻的制造調(diào)整偏差最大限制在0.01%,其余各部偏差可路.因此,此項(xiàng)偏差最大可能值為0.02%.溫度偏差和制造調(diào)整偏差總值為
rx≈0.0042%+0.02%≈0.024%
所以有
 
3.2.2電位差計(jì)測熱電偶熱電動勢溫度補(bǔ)償盤偏差的不確定度Ux.
　　溫度補(bǔ)償盤是對熱電偶冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?測量中使用的溫度補(bǔ)償盤所產(chǎn)生的溫度補(bǔ)償電壓最大偏差是±50μV,即△Es=50μV,所以
 
3.2.3檢流計(jì)靈敏度偏差的不確定度UB3、UB4
　　測量電路中使用的檢流計(jì)為指針式，因其靈敏度不夠必然在校準(zhǔn)回路和測量回路中引起系統(tǒng)偏差，設(shè)此兩項(xiàng)偏差的不確定度為UB3、UB4.
 
　　首先計(jì)算校準(zhǔn)回路的檢流計(jì)靈敏度偏差的不確定度UB3.如圖3所示電路校準(zhǔn)時若完全補(bǔ)償則有Es=IRN,但因受檢流計(jì)靈敏度不夠的限制,不可能做到完全補(bǔ)償,回路I中就有電流,必然引起工作電流的變化,分:析電路可知
 
　　其中標(biāo)準(zhǔn)電池內(nèi)阻Rs=1200Ω、Rp=304.45Ω、R=17.10Ω、Rn=0.31082Ω、檢流計(jì)的靈敏度Sg=1.2X10⁶div/A.靈敏度閾值△n=0.3div、內(nèi)阻Rg=180Ω.
 
　　其次，計(jì)算測量回路的檢流計(jì)靈敏度偏差的不確定度UB4.如圖4所示電路測量時若完全補(bǔ)償則有Ex=IRx,同樣因受檢流計(jì)靈敏度不夠的限制，不可能做到完全補(bǔ)償而產(chǎn)生偏差，分析電路可知
 
3結(jié)語
(1)應(yīng)用Pro/E和ANSYS軟件建立了PVR系列葉片泵轉(zhuǎn)子的三維有限元模型，并對轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行了模態(tài)分析，得出了轉(zhuǎn)子的各階固有頻率及振型，這為對轉(zhuǎn)子作進(jìn)一.步動力學(xué)分析打下了基礎(chǔ)，同時也為實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中激勵方式、測點(diǎn)布置、采樣頻率等因素的確定提供了依據(jù).(2)為準(zhǔn)確確定元件的各階頻率及振型，一般采用應(yīng)用軟件分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，因此本文用ANSYS分析所得的結(jié)果，也為和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較提供了依據(jù).通過二者結(jié)合后，一般可相對精確地確定元件的固有頻率及振型，為判斷元件在實(shí)際工作中是否會和外激勵發(fā)生共振以及如何避免共振提供了參考.