精度高熱電偶校準(zhǔn)系統(tǒng)的研究

摘要:熱電偶是熱加工設(shè)備中溫度測量最常用的傳感器，在熱加工設(shè)備中，如熱壓罐、熱處理爐、表面處理槽等都需要熱電偶來控制和記錄設(shè)備的溫度，熱加工設(shè)備中，熱電偶用來控制和記錄設(shè)備的溫度，構(gòu)成一個溫度測量系統(tǒng)，將測量的溫度在儀表上顯示/控制和記錄。對這些設(shè)備的檢測，如溫度均勻性測試和溫度儀表系統(tǒng)精度校驗都是用熱電偶作為傳感器進(jìn)行測試的，熱電偶性能的好壞直接關(guān)系到溫度測量的準(zhǔn)確性。
0引言
　　熱電偶在工作時，通常直接放置在熱加工設(shè)備中，與補(bǔ)償導(dǎo)線和溫度控制和記錄儀表相連接，通常由兩種不同的金屬絲組成，它的測溫原理是基于1821年塞貝克發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象。熱電偶通過測量熱電動勢，再按照1990年國際溫標(biāo)ITS-90將熱電動勢轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)值來達(dá)到測量溫度參數(shù)的一種傳感器。熱電偶就是通過測量熱電動勢，再按照1990年國際溫標(biāo)ITS-90.將熱電動勢轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)值來達(dá)到測量溫度參數(shù)的一種傳感器。
　　熱電偶一般由熱電極、絕緣保護(hù)管和接線盒組成。目前國際上有8種標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，分別為廉金屬熱電偶(E、J、K、T、N型)和貴金屬(R、S.B型)兩大類。
1熱電偶的校準(zhǔn)
　　熱電偶在使用過程中，由于高溫、氧化、再結(jié)晶、.環(huán)境腐蝕、污染等因素?zé)犭娕嫉臒犭娦阅軙l(fā)生變化,就會影響熱電偶的示值誤差，所以熱電偶的國家檢定規(guī)程如JJG351-96《工業(yè)廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》、JJG141-2013《工作用貴金屬熱電偶檢定規(guī)程》、JJF1262-2010《鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》等，都要求對熱電偶進(jìn)行定期校準(zhǔn)，校準(zhǔn)周期一般不超過半年，以保證熱電偶的示值誤差滿足要求。熱電偶示值誤差的校準(zhǔn)方法為比較法。目前國內(nèi)外相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范如國家檢定規(guī)程JJG351-96《工業(yè)廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》和美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASTME220《用比較法校準(zhǔn)熱電偶》都要求采用比較法進(jìn)行校準(zhǔn)。比較法是利用高--級精度的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被校準(zhǔn)熱電偶直接比較的-種校準(zhǔn)方法。校準(zhǔn)時，將被測熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶--起捆扎送入校準(zhǔn)爐內(nèi)。熱電偶的測量端位于校準(zhǔn)爐內(nèi)均勻的高溫區(qū)域中，爐內(nèi)溫度恒定在整百度或規(guī)程要求的溫度點上用雙極法、同名極法或微差法來確定被校準(zhǔn)熱電偶在該溫度下的電動勢值。
2工業(yè)化精度高熱電偶校準(zhǔn)系統(tǒng)
　　基于對高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)系統(tǒng)的不確定度指標(biāo)，即根據(jù)確定的測量結(jié)果不確定度,即U=(0.3~1.0)℃，開展深入、細(xì)致、切實的測量不.確定度分析，發(fā)現(xiàn)以往在常規(guī)校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度分析中曾被忽略的不確定度分量。通過對各不確定度分量進(jìn)行重新分配、平衡，確定校準(zhǔn)系統(tǒng)各組成模塊(包括主標(biāo)準(zhǔn)器、電測模塊、掃描開關(guān)、校準(zhǔn)爐、補(bǔ)償導(dǎo)線、參考端等等)的計量參數(shù)及不確定度分量指標(biāo)。
2.1系統(tǒng)的組成
　　隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，熱電偶的校準(zhǔn)從早期的手動校準(zhǔn)階段，到后來的半自動校準(zhǔn)階段,到現(xiàn)在的全自動校準(zhǔn)階段,熱電偶校準(zhǔn)的自動化水平不斷提高。熱電偶校準(zhǔn)系統(tǒng)由--等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶、熱電偶校準(zhǔn)爐、參考端恒溫器、電測儀表、掃描開關(guān)、計算機(jī)、打印機(jī)和配套的相關(guān)軟件構(gòu)成，系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。
 
系統(tǒng)研究內(nèi)容如下:
　　研究熱電偶校準(zhǔn)用熱管恒溫槽，研究熱管恒溫槽的溫度穩(wěn)定性和均勻性的關(guān)鍵指標(biāo)，其中均勻性包括.上水平面溫差、下水平面溫差和工作區(qū)域最大溫差，解決(300~500)℃熱電偶校準(zhǔn)過程中溫場不均勻帶來不確定度分量較大問題;研究精密熱電偶校準(zhǔn)爐，研究熱電偶校準(zhǔn)爐的軸向溫度場和徑向溫度場的關(guān)鍵指標(biāo)，研究熱電偶校準(zhǔn)爐的定位系統(tǒng)，解決(500~1200)℃熱電偶校準(zhǔn)過程中溫場不均勻帶來不確定度分量較大問題;研究精密熱電偶校準(zhǔn)專用電測模塊,研究電測儀器的精度等級、分辨力等關(guān)鍵指標(biāo)，滿足各類規(guī)程對高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)的要求，減小電測模塊在校準(zhǔn)過程中帶來的不確定度分量;研究專用低電勢掃描開關(guān)，研究掃描開關(guān)寄生電勢、通道間數(shù)據(jù)采集差值、測量重復(fù)性等關(guān)鍵指標(biāo)，滿足各類規(guī)程對高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)的要求，減小熱電偶校準(zhǔn)過程中掃描開關(guān)寄生電勢帶來不確定度分量;研究熱電偶參考端處理模塊，研究參考端恒溫系統(tǒng)的深度尺寸、工作區(qū)域內(nèi)溫度變化等關(guān)鍵指標(biāo)，減小熱電偶校準(zhǔn)過程中參考端恒溫模塊帶來不確定度分量較大問題;開展高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)系統(tǒng)軟件研制，研究滿足國家將定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范等要求的軟件，用于校準(zhǔn)過程的數(shù)據(jù)處理、原始記錄打印、校準(zhǔn)證書打印等。
2.2專用熱管槽的研究
　　高溫?zé)犭娕?/strong>校準(zhǔn)系統(tǒng)專用熱管槽結(jié)構(gòu)研究主要通過提升熱管的熱循環(huán)速度來提升熱管的傳熱能力，減小有效工作區(qū)溫差，擬采取的措施為增強(qiáng)熱交換。通過改變熱管結(jié)構(gòu)、加大散熱能力提升管內(nèi)工質(zhì)的循環(huán)速度，繼而提高熱管管芯插管的熱傳輸功率，提高整體換熱能力。具體措施可包括:通過增加散熱器表面.積，增加散熱器的散熱功率。通過增加熱管槽插管與工質(zhì)的接觸面積，即在插管外壁焊接翅片，或?qū)⒍鄠€插管通過翅片相互連接，從而增加每一根插管與工質(zhì)飽和蒸汽的熱接觸面積，提高插管的傳熱能力。.
　　通過對國內(nèi)外熱管工作介質(zhì)材料搜集、研究、比對、分析，通過實驗確定出合適的熱管工作介質(zhì)。由于熱管的工作溫度上限為550℃,該溫區(qū)熱管只能使用低熔點金屬作為工作介質(zhì)。目前汞用于(300~500)℃立式熱管恒溫槽，取得較好的效果。高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)系統(tǒng)專用熱管槽的主要技術(shù)指標(biāo)及要求為:工作溫度范圍:(300~550)℃;有效工作區(qū)(垂直方向)傳感器插孔底部算起300mm;有效工作區(qū)(水平方向):φ40mm的插孔和其他插孔;有效工作區(qū)任意兩點溫差:≤0.05℃;溫度波動性:≤0.05℃/min.
2.3熱管槽溫度調(diào)節(jié)模塊的研究
　　熱管槽的控溫傳感器采用由線繞元件封裝的三線制(或四線制)A級Pt100鉑熱電阻。根據(jù)國家檢定規(guī)程《JJG229-2010工業(yè)鉑、銅熱電阻》，A級鉑電阻的上限工作溫度只能達(dá)到450℃,為保證在550℃.上限溫度長期可靠工作，需通過以下技術(shù)途徑進(jìn)行設(shè)計。熱平衡算法研究。基于熱平衡系統(tǒng)遵循牛頓熱力學(xué)定律，熱管槽在熱平衡條件下，通過槽內(nèi)溫度的變化可計算出槽中所儲存熱能的變化，只要隨時彌補(bǔ)這些熱能變化即可保持槽溫的恒定。該方法的優(yōu)點是避免了PID算法下槽溫的周期性波動。
　　加熱補(bǔ)償法研究:在溫度調(diào)節(jié)模塊中，增加-一到多個輔助溫度調(diào)節(jié)回路，提高熱管槽載荷狀態(tài)的溫場均勻性;加熱功率細(xì)化研究:將主加熱器分為多個加熱元件。熱管在低溫(特別是工作溫度下限附近)工作時，所需加熱功率通常只有全功率的(1.0~10.0)%之間，使控制輸出的動態(tài)范圍縮小，相對調(diào)節(jié)細(xì)度變差。在此情況下，改用其中的部分加熱元件加熱，在同樣的加熱功率下，這些負(fù)責(zé)加熱的元件的相對輸出變大，提高了調(diào)節(jié)輸出的動態(tài)范圍;對電網(wǎng)電壓波動的補(bǔ)償功能研究:常規(guī)的溫度調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型是基于被控對象的供電電源電壓恒定不變這一假設(shè)的基礎(chǔ)上。電網(wǎng)電壓的波動會作為-種外界擾動作用到閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，引起槽溫波動。實時調(diào)節(jié)的特點在于饋入校準(zhǔn)爐的加熱功率是不斷調(diào)整、變化的，即使電源電壓穩(wěn)定，加熱功率也不可能穩(wěn)定，因此電源電壓的穩(wěn)定不是必需的條件，關(guān)鍵是能夠向被控對象及時提供所需的功率。
P=ρ×U2/R
　　在已知電源電壓U、中間加熱區(qū)電阻R的條件下，只要調(diào)整占空比ρ，即可得到所需加熱功率P。顯然，電源電壓的波動是可以通過實時算法在很大程度.上進(jìn)行補(bǔ)償?shù)模@樣一來就不需要在熱管槽的供電環(huán)節(jié)使用笨重的穩(wěn)壓電源。
2.4校準(zhǔn)爐的研究
　　為有效提升校準(zhǔn)爐溫場的均勻性指標(biāo)，擬采用多溫區(qū)爐體結(jié)構(gòu)及溫度控制技術(shù)，初步確定采用3個溫區(qū)，采用爐管繞絲方案。為保證爐溫場的均勻連續(xù),采用抽頭方式將電加熱部分分為3個加熱區(qū)，一個中間加熱區(qū)，中間加熱區(qū)的兩側(cè)分別為兩個輔助加熱區(qū)，電路形式上表現(xiàn)為各溫區(qū)加熱絲串聯(lián)、抽頭,不隔離。.精度高熱電偶校準(zhǔn)爐主要技術(shù)指標(biāo)及要求為:工作溫度范圍:(500~1200)℃;有效工作區(qū)溫度均勻性:軸向≤0.3℃/60mm，徑向≤0.2℃/φ28mm;溫度波動性:0.1℃/min，0.5℃/10min。
2.5校準(zhǔn)爐專用溫度調(diào)節(jié)模塊研究.
　　研究均溫塊的材料、形狀、安裝方式等，提升校準(zhǔn)過程中校準(zhǔn)爐的溫場均勻性，減小了被校熱電偶測量結(jié)果不確定度，并由此確定最終設(shè)計、研制出均溫塊。溫度調(diào)節(jié)模塊的主要研究內(nèi)容為以整個工作溫度范圍內(nèi)的恒溫及溫場最優(yōu)為目標(biāo)，基于熱平衡理論的校準(zhǔn)爐恒溫調(diào)節(jié)動、靜態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立，及被調(diào)節(jié)對象(校準(zhǔn)爐)固有特性參數(shù)的提取與確定。
　　溫度調(diào)節(jié)模塊設(shè)計:設(shè)計專用3回路智能調(diào)節(jié)器，中間加熱區(qū)的回路為主調(diào)節(jié)回路，兩個輔助調(diào)節(jié)回路分別負(fù)責(zé)兩輔助加熱區(qū)的溫度跟蹤調(diào)節(jié)，負(fù)責(zé)保持與.主加熱區(qū)溫度之間的溫差范圍。
　　溫度調(diào)節(jié)算法研究:主調(diào)節(jié)回路溫度調(diào)節(jié)算法研究是在分析傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)理論的基礎(chǔ)上，從傳熱學(xué)、能量的視角考慮分析要面對、解決的問題，使用現(xiàn)代嵌入式控制系統(tǒng)和優(yōu)于傳統(tǒng)PID的先進(jìn)算法。主調(diào)節(jié)回路溫度調(diào)節(jié)算法需分別研究大偏差工況下溫度變化趨勢的動態(tài)調(diào)節(jié)和小偏差工況下溫度波動最小化調(diào)節(jié)兩方面。
　　熱電偶校準(zhǔn)爐固有特性參數(shù)的測定:熱電偶校準(zhǔn)爐的固有參數(shù)系由校準(zhǔn)爐的制作材料、工藝決定的。為使校準(zhǔn)爐的調(diào)節(jié)達(dá)到最佳效果，有必要對其進(jìn)行定.義并給出測定方法。需要測定的固有參數(shù)有散失功率、熱容量、熱時間常數(shù)、熱滯后時間、加熱功率。
2.6精密測溫儀研究
　　目前我國熱電偶自動校準(zhǔn)系統(tǒng)所使用的電測設(shè)備基本上配制的都是進(jìn)口6位半至8位半數(shù)字多用表,或7位半納伏/微歐表(以下簡稱“數(shù)字表”)，這些數(shù)表在熱電偶校準(zhǔn)過程中對使用環(huán)境溫度要求較嚴(yán)格,通常為(23±5)℃，而校準(zhǔn)爐、熱管爐等恒溫設(shè)備均散發(fā)熱量，會對數(shù)表的使用環(huán)境造成影響。精密測溫儀技術(shù)指標(biāo)及要求為:量程:100.0000mV,100.0000Ω,400.0000Ω;分辨力:10nV,1μΩ;精度等級:0.01級;輸入通道數(shù):5通道;使用環(huán)境溫度:(5~40)℃。
2.7專用低電勢掃描開關(guān)研究
　　專用低電勢掃描開關(guān)用于在測量被校熱電偶熱電勢時順序選擇、切換各被校熱電偶的熱電勢信號到精密測溫儀。專用低電勢掃描開關(guān)技術(shù)指標(biāo)及要求為:低電勢掃描開關(guān)電勢:≤0.2μV;最大被校通道數(shù):12通道;各通道寄生電勢之差:≤0.2μV。
　　專用低電勢掃描開關(guān)結(jié)構(gòu):使用機(jī)械結(jié)構(gòu)的低電勢多點轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動，在不同的位置，接觸不同的通道，達(dá)到通道切換之目的。專用低電勢掃描開關(guān)擬采用兩個4組12位低電勢開關(guān)通過適當(dāng)?shù)倪B接而成，可適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)器的接入。
　　低電勢掃描開關(guān)寄生電勢測量方法:專用低電勢掃描開關(guān)寄生電勢應(yīng)小于等于0.2μV，測量寄生電勢時使用納伏表進(jìn)行測試，用直徑為1.0mm2的單芯銅導(dǎo)線分別將各輸入通道端子及輸出端子短路，20min后觀查納伏表是否穩(wěn)定，待穩(wěn)定后將納伏表清零，然后用剪線鉗迅速剪斷輸出端子兩端所接短路線。選擇軟件的通訊測試功能，分別切換至掃描開關(guān)各檔位，等待60s后讀取該檔位的寄生電勢。
2.8精度高熱電偶校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件開發(fā)
　　軟件開發(fā)平臺擬以C#.NET和C++為主，以python等作為輔助開發(fā)工具。軟件具有友好的人機(jī)交互功能,.可引導(dǎo)操作人員輸入、選擇需要完成的工作及具體細(xì).節(jié)，軟件具有較強(qiáng)的容錯能力，可通過各種邏輯校驗與分析，提醒、糾正操作人員的操作錯誤。軟件自動記錄運行過程的各種參數(shù)、狀態(tài)，包括爐溫及其調(diào)節(jié)的動態(tài)實時數(shù)據(jù)，被校信息、標(biāo)準(zhǔn)信息、個性化設(shè)定參數(shù)、測量原始數(shù)據(jù)等。軟件可將所記錄的各種數(shù)據(jù)繪制成曲線以便分析。軟件具有數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)修約功能，包括符合國際溫標(biāo)的熱電偶、熱電阻分度變換功能、、可追溯的數(shù)據(jù)計算、處理功能。報表生成，證書自定義與輸出，軟件能夠控制整個校準(zhǔn)系統(tǒng)按照.所選檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范的要求，自動實現(xiàn)所需各校準(zhǔn)點的校準(zhǔn)工作，并輸出校準(zhǔn)結(jié)果。
2.9測量不確定度評定
　　以測量不確定度作為理論指導(dǎo)，進(jìn)行不確定度分析、不確定度分配以及不確定度驗證，明確被校熱電偶的允差，按照校準(zhǔn)系統(tǒng)量值溯源比率1/4的要求，計算每個溫度校準(zhǔn)點的擴(kuò)展不確定的要求。通過建立熱電偶校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中被校熱電偶溫度示值偏差的數(shù)學(xué)模型，并對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行詳細(xì)分析，確定該系統(tǒng)測量不確定度分量的各項來源，并進(jìn)行分析。對各不確定度分量按照A類或B類方法進(jìn)行分析、合成，得到各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。對各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量進(jìn)行合成，計算合成不確定度,并轉(zhuǎn)化為擴(kuò)展不確定度。對于不滿足溯源比率的溫度點，找出其最大不確定度分量，進(jìn)行必要的調(diào)整，包括:提高測量標(biāo)準(zhǔn)的等級、改變電測儀器量程、更換不確定度小的恒溫設(shè)備等。重復(fù)上述過程，直到各溫度點均滿足量值溯源比率要求。
3結(jié)論
　　精度高高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)系統(tǒng)，包括校準(zhǔn)系統(tǒng)各模塊的方案設(shè)計及研制、校準(zhǔn)軟件的開發(fā)、系統(tǒng)組成等，通過對系統(tǒng)的不確定度評估，該系統(tǒng)達(dá)到了溫度范圍(300~1200)℃,不確定度U=(0.3~1.0)℃，解決精度高熱電偶量值溯源的問題。