工業(yè)用熱電偶現(xiàn)場校準(zhǔn)問題解析

摘要:工業(yè)用熱電偶的現(xiàn)場校準(zhǔn)普遍采用干體式溫度校準(zhǔn)爐，與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)所使用的檢定爐存在較大的差異，往往在實(shí)驗(yàn)室檢定合格的工業(yè)用熱電偶，在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，誤差卻相差很大。因此，從熱電偶的測溫原理、基本定律、標(biāo)準(zhǔn)儀器等方面對上述問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最終得出影響熱電偶現(xiàn)場校準(zhǔn)的主要因素。
1引言
　　自塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熱電偶已經(jīng)成為目前溫度測量領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的感溫元件之一。其主要優(yōu)點(diǎn)是:測溫范圍廣，可以在1K-~2800K的廣闊溫域內(nèi)進(jìn)行測量;性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠，此外，還有結(jié)構(gòu)簡單、熱慣性小、動態(tài)響應(yīng)速度快、信號能夠遠(yuǎn)距離傳送和多點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)集中檢測與控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)等領(lǐng)域中，廣泛地應(yīng)用熱電偶來測量溫度。
　　對工業(yè)用熱電偶的校準(zhǔn)(300℃以上，以下不做說明),在普遍使用檢定爐、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、測量儀器等設(shè)備,采用比較的方法進(jìn)行。其中，為了減少導(dǎo)熱誤差，必須保證熱電偶的插人深度,檢定爐的長度一般為600mml;在工業(yè)現(xiàn)場普遍采用干體式溫度校準(zhǔn)爐、標(biāo)準(zhǔn)儀器等設(shè)備，同樣采用比較的方法:進(jìn)行。但是，干體式溫度校準(zhǔn)爐的深度基本在200mm左右。那么，干體式溫度校準(zhǔn)爐是否適合于所有工業(yè)用熱電偶的校準(zhǔn)?
2熱電偶的有關(guān)概念與基本定律
2.1熱電偶有關(guān)概念
2.1.1熱電偶工作原理
　　由兩種不同金屬或合金A、B組成，如圖1左圖的閉合回路，是最簡單的熱電偶回路，這兩種不同金屬或合金的組合就稱為熱電偶。
 
　　實(shí)際測溫中的熱電偶回路如圖1右圖所示，A.B稱為熱電極,它們的一端通常焊接在一起形成接點(diǎn)，稱為測量端(工作端或熱端)，而另一端稱為參考端(自由端或冷端)。測溫時(shí)，將熱電偶的測量端置于被測溫場中,其參考端恒定在某溫度下(通常為0℃),然后通過連接導(dǎo)線與測量儀表相連。由于熱電偶兩端所處的溫度不同，在熱電偶回路中就有電動勢產(chǎn)生。用測量儀表測得電動勢的數(shù)值后，便可間接知道相應(yīng)的溫度或者直接由測量儀表指示出溫度。
2.1.2熱電偶回路中的總熱電勢
　　熱電偶回路中的總熱電勢為接觸電勢與溫差電勢的疊加。通過一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算后，可以得到以下幾個(gè)重要結(jié)論:
(1)熱電偶回路中總的熱電勢的大小與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀和幾何尺寸無關(guān)。熱電偶回路中總熱電勢的方向與熱電偶兩端溫度有關(guān)。由于溫差電勢較接觸電勢小得多,故總熱電勢方向就是測量端接觸電勢的方向。
(2)如果熱電偶的兩極材料相同，則兩接點(diǎn)處的接觸電勢等于零，而兩熱電極的溫差電勢大小相等，方向相反，回路中總熱電勢等于零。如果熱電偶兩端溫度相同，則兩熱電極的溫差電勢等于零，而兩接點(diǎn)處的接觸電勢大小相等，方向相反，回路中總熱電勢也等于零。因此，只有當(dāng)熱電偶兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)才有熱電勢產(chǎn)生。
(3)若組成熱電偶的材料一定，則熱電偶回路中總熱電勢的大小僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，也就是說:熱電勢是兩接點(diǎn)溫度的函數(shù)，其大小為兩個(gè)接點(diǎn)溫度的函數(shù)差。如果想辦法使熱電偶參考端溫度保持恒定，總熱電勢只與測量端溫度有關(guān)，成單值函數(shù)關(guān)系。熱電偶回路中的熱電勢與溫度的關(guān)系稱為熱電偶的熱電特性。
2.2基本定律.
2.2.1均質(zhì)導(dǎo)體定律
　　由一種均質(zhì)導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成的閉合回路,不論導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)的截面和長度如何以及各處的溫度分布如何，都不會產(chǎn)生熱電勢。
2.2.2中間導(dǎo)體定律
　　在熱電偶回路中接入第三種金屬材料，只要這第三種金屬材料兩端的溫度相同,熱電偶產(chǎn)生的熱電勢保持不變，不受第三種金屬接入的影響。
　　利用熱電偶的這個(gè)特性，可以在熱電偶回路中引人各種測量儀表和連接導(dǎo)線，而且也可以采用各種焊接方法來焊接熱電偶，只要保證中間導(dǎo)體本身兩端溫度相同，就不致影響熱電偶的熱電勢值。同時(shí),根據(jù)這個(gè)基本定律，還可以利用開路熱電偶測量液態(tài)金屬和金屬壁面的溫度。
2.2.3參考電極定律
　　若將某一熱電極作為參考電極(也稱標(biāo)準(zhǔn)電極),若已知參考電極與各熱電極組合配對時(shí)的熱電勢，則可求出這些熱電極彼此任意組合時(shí)的熱電勢。
2.2.4連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律
　　在熱電偶回路中，如果熱電極分別與連接導(dǎo)線相連接，則回路中的總熱電勢等于熱電偶的熱電勢與連接導(dǎo)線的熱電勢的代數(shù)和。
　　連接導(dǎo)線定律為在工業(yè)測溫中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。這樣，只要選配與熱電偶的熱電特性相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，便可使熱電偶的參考端遠(yuǎn)離熱源而不影響熱電偶的測溫正確性。
　　中間溫度定律為使用分度表奠定了理論基礎(chǔ)。根據(jù)這個(gè)定律，只要知道參考端溫度為0℃時(shí)的熱電勢與溫度的關(guān)系，則參考端溫度不等于0℃的熱電勢都可求出;反之，若已知參考端溫度不為0℃時(shí)的熱電勢值，也可以求出參考端為0℃時(shí)的熱電勢值。在現(xiàn)場實(shí)際測溫時(shí)，常用此公式來修正參考端的溫度。
 
3實(shí)驗(yàn)過程描述
3.1實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備
　　采用Fluke744作為測量標(biāo)準(zhǔn)器，通過補(bǔ)償導(dǎo)線與被校熱電偶連接,組成測量電路，根據(jù)中間導(dǎo)體定律與連接導(dǎo)體定律，該測量電路不影響熱電偶的測溫。選取的被校熱電偶，如表1所示，分別在干體式溫度校準(zhǔn)爐Fluke9173(自帶L型精密鉑電阻參考測溫儀)以及臥式檢定爐中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。恒溫設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如下:
 
(1)干體式溫度校準(zhǔn)爐Fluke9173:測量范圍為50-700℃，井深為203mm;
(2)臥式檢定爐:測量范圍為300-1200℃,長度600mm。
 
3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與問題探討
　　通過實(shí)驗(yàn)，對比在插人深度為200mm左右的干體式溫度校驗(yàn)爐中的校準(zhǔn)結(jié)果與在插人深度為300mm左右的臥式檢定爐中的校準(zhǔn)結(jié)果的差值，可以得到以下結(jié)果:
長度在400~1000mm的鎧裝熱電偶與長度在600mm以下的工業(yè)熱電偶，差值比較小;長度在600~1000mm的工業(yè)熱電偶，差值比較大。并且該差值隨著熱電偶長度的增加而增大，隨著實(shí)驗(yàn)溫度點(diǎn)的增加而增大。
　　根據(jù)熱電偶的均質(zhì)導(dǎo)體定律,有以下幾個(gè)結(jié)論:
(1)如果熱電偶是由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，則熱電偶的熱電勢僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，而與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。
(2)如果熱電偶的熱電極是非均質(zhì)導(dǎo)體，則相當(dāng)于不同性質(zhì)熱電極構(gòu)成的熱電偶。在不均勻溫場中測溫時(shí)將造成測量誤差。
對照結(jié)論(1)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)矛盾:熱電偶的熱電勢值與插人溫度源中的長度有關(guān)，而非結(jié)論(1)所描述。
對照結(jié)論(2)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文對所選用的熱電偶材質(zhì)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)熱電極為均質(zhì)導(dǎo)體。對插人臥式檢定爐中的深度縮短至200mm左右,結(jié)果得出與干體式溫度校驗(yàn)爐同樣的數(shù)據(jù)。
綜上分析，得到以下結(jié)論:
(1)熱電偶在校準(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)結(jié)果與插人深度有關(guān)。不論在現(xiàn)場校準(zhǔn)還是實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)，容易受環(huán)境溫度等外界條件的影響，也就是說溫差電勢與接觸電勢相比，占據(jù)比較大的比例，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出可以忽略的程度，只有保證了足夠的插入深度，才可以降低溫差電勢。因此，我們必須嚴(yán)格按照J(rèn)JG351--1996《工業(yè)用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》以及JJF1262--2010《鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》的要求進(jìn)行，否則將產(chǎn)生比較大的偏差。(2)鎧裝熱電偶在校準(zhǔn)時(shí)，對溫度源的穩(wěn)定性要求比較高，JJF1262-2010明確要求要配備均溫塊進(jìn)行校準(zhǔn)。在工業(yè)現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)，干體式溫度校驗(yàn)爐雖然滿足了插入深度的要求，但是工業(yè)現(xiàn)場條件往往比較惡劣，導(dǎo)致校驗(yàn)爐內(nèi)溫度波動比較大，進(jìn)而產(chǎn)生偏差。
(3)工業(yè)熱電偶的現(xiàn)場校準(zhǔn)存在比較麻煩的問題，JJG351-1996中明確規(guī)定熱電偶的插人深度在300mm及以上，而目前干體式溫度校驗(yàn)爐的井深均在250mm以下。因此，對于長度在600mm及以上工業(yè)熱電偶，現(xiàn)場校準(zhǔn)是不合適的，存在比較大的偏差;對于600mm以下的工業(yè)熱電偶，本文認(rèn)為可以嘗試使用配置標(biāo)準(zhǔn)參考溫度計(jì)的干體式溫度校驗(yàn)爐進(jìn)行，如果偏差過大，還需實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)。