T型熱電偶測(cè)量中冷端補(bǔ)償溫度分析

摘要:T型熱電偶是使用率高的一種溫度測(cè)量?jī)x器。本文參照規(guī)程JJG368-2000《工作用銅-銅鎳熱電偶》,對(duì)T型熱電偶的校準(zhǔn)方法進(jìn)行探討與研究,通過改變補(bǔ)償溫度找到其與T型熱電偶的影響關(guān)系。
0引言
       熱電偶是兩種不同材料的導(dǎo)體基于塞貝克效應(yīng).制成的溫度計(jì)。通常兩種不同材料的導(dǎo)體稱為熱電偶的兩個(gè)電極,其兩個(gè)電極的-.端焊接在--起形成一個(gè)接點(diǎn),稱測(cè)量端，測(cè)量時(shí)放置在被測(cè)溫場(chǎng)中;另一端為測(cè)量時(shí)置于某一恒定溫場(chǎng)中,稱參考端。熱電偶測(cè)溫的基本原理是熱電效應(yīng)原理,即兩種不同的金屬導(dǎo)體連接形成回路,如果連接的兩點(diǎn)溫度不同，那么在測(cè)量的回路當(dāng)中就會(huì)有一個(gè)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，從而形成電流，這就是熱電偶測(cè)溫中的熱電效應(yīng)。
       應(yīng)用中熱電偶回路接入測(cè)量系統(tǒng),由于熱電偶成本較高以及場(chǎng)地所限等問題經(jīng)常要在熱電偶中插入第三種材料將信號(hào)傳至測(cè)量系統(tǒng)，第三種材料通常稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。在進(jìn)行測(cè)溫系統(tǒng)建設(shè)時(shí)首先選用與熱電偶相配套的補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶冷端延伸到控制室,然后再與變送、顯示、記錄、調(diào)節(jié)儀表或數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備相連。
       熱電偶分標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和工作用熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在工藝生產(chǎn).上相對(duì)穩(wěn)定,分度上-致性良好，國(guó)標(biāo)統(tǒng)一。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶通常有八類，其中貴金屬熱電偶有三類,分別是S,R,B;廉金屬熱電偶有五類,分別是K,N,E,J,T。工作用熱電偶通常可進(jìn)行特殊環(huán)境下的溫度計(jì)量,分度表并不固定。工作用銅-銅鎳熱電偶即T型熱電偶，具有精度高、性能穩(wěn)、壽.命長(zhǎng)、價(jià)格低等特點(diǎn)，在溫度計(jì)量中,T型熱電偶被廣泛應(yīng)用。
1熱電偶的冷端補(bǔ)償
       根據(jù)熱電偶的物理學(xué)原理,其熱電動(dòng)勢(shì)的高低等于測(cè)量前端溫度與冷端溫度的差值。為確保熱電動(dòng)勢(shì)與待測(cè)溫度為線性關(guān)系,冷端溫度必須保持在穩(wěn)定的溫度。
       當(dāng)冷端為0℃時(shí)，熱電偶輸出的電勢(shì)與熱端感受溫度有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，熱電偶的分度表也是以此為前提的。當(dāng)冷端溫度不為0℃時(shí)，將運(yùn)用數(shù)學(xué)補(bǔ)償及邏輯修正的方法。
       常用冷端溫度補(bǔ)償方法有冰點(diǎn)法、恒溫遷移補(bǔ)償法、熱電勢(shì)修正法、電橋補(bǔ)償法、二級(jí)管補(bǔ)償法、集成溫度傳感器補(bǔ)償法和軟件補(bǔ)償法。
       實(shí)驗(yàn)室里常用冰點(diǎn)補(bǔ)償法，冰點(diǎn)法是將補(bǔ)償導(dǎo)線末端放入冰水混合物或零度恒溫器中,這樣熱電偶冷端的溫度就是0C,可直接測(cè)出熱端溫度。該方法原理簡(jiǎn)單,測(cè)量誤差小，-.般情況下誤差可忽略不計(jì)。
       戶外試驗(yàn)常用的方法為恒溫遷移補(bǔ)償法,此種方法是根據(jù)補(bǔ)償導(dǎo)線末端所處環(huán)境溫度的大小，人為將顯示或記錄儀表的零點(diǎn)調(diào)到該值，恒溫遷移補(bǔ)償法引入的誤差很小，尤其是對(duì)于高溫測(cè)量,其相對(duì)誤差更小。
2熱電偶的檢測(cè)現(xiàn)狀
       熱電偶因兩電極材料不同,有很多組合,組合不同測(cè)溫區(qū)間不一樣,因此國(guó)內(nèi)外大部分研究都集中在選型的探析.上,如任平的《熱電偶的使用和選型探析》,”謝清俊《熱電偶測(cè)溫技術(shù)相關(guān)特性研究》等。四有對(duì)熱電偶不同測(cè)溫方式帶來不同測(cè)溫結(jié)果的研究，如施吉《多種熱電偶測(cè)溫方式對(duì)比研究分析》,[3]也有對(duì)熱電偶不確定度分析的研究，如董雪《基于T型熱電偶的國(guó)防計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定》。“
       在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,系統(tǒng)的溫度控制對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制系統(tǒng)常用的測(cè)量部件,對(duì)控溫系統(tǒng)的控溫正確性至關(guān)重要。其冷端補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)量與瞬態(tài)測(cè)溫性能也是目前業(yè)界的研究熱點(diǎn)。如張根甫《熱電偶溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究》,51從熱電偶傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)熱電偶測(cè)溫存在一-定的延誤量且該延誤量與時(shí)間常數(shù)有關(guān);薛光輝《熱電偶傳感器溫控系統(tǒng)誤差研究》因闡述了溫控器的使用與熱電偶的冷端補(bǔ)償對(duì)溫度控制系統(tǒng)的控制精度和精度綜合影響等。
       以上研究均以補(bǔ)償溫度為冰點(diǎn)進(jìn)行研究分析，在測(cè)量中,通常對(duì)環(huán)境溫度提出了相應(yīng)的要求，是為了讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在可控的范圍內(nèi)更加準(zhǔn)確。然而儀器在使用中通常是不具備實(shí)驗(yàn)室所要求的溫度環(huán)境。本文試圖通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找到T型熱電偶在使用過程中補(bǔ)償溫度對(duì)其示值結(jié)果的影響關(guān)系。為企業(yè)T型熱電偶的生產(chǎn)和使用帶來幫助。
3實(shí)驗(yàn)方案
       本方案希望通過控制標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的合理性、測(cè)量?jī)x表的精度、熱源溫場(chǎng)的穩(wěn)定性、被測(cè)對(duì)象的可靠性,給補(bǔ)償溫度5個(gè)工況(即0℃、10℃、20℃、30℃、40℃),從而找到T型熱電偶在使用過程中補(bǔ)償溫度對(duì)其示值結(jié)果的影響關(guān)系。
       對(duì)3支量程范圍為0℃~120℃的1級(jí)T型熱電偶進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)，測(cè)量溫度點(diǎn)為100℃。依據(jù)JJG368-2000《工作用銅-銅鎳熱電偶》,的100℃時(shí)，1級(jí)T型熱電偶的最大允許誤差為+0.5℃。
通過對(duì)規(guī)程JJG368-2000《工作用銅-銅鎳熱電偶》中計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及主要配套設(shè)備的參數(shù)指標(biāo)分析與討論，標(biāo)準(zhǔn)器選用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)與自動(dòng)測(cè)溫電橋的組合;標(biāo)準(zhǔn)器及主要配套設(shè)備見表1。

4實(shí)驗(yàn)過程
       實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度23℃C,相對(duì)濕度58%。使得三支T型熱電偶測(cè)量端對(duì)齊,放入石英管中，并用脫脂棉封閉管口。將石英管和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)預(yù)熱后插入100℃的恒溫油槽中,穩(wěn)定時(shí)間低于20min,石英管中熱電偶通過銅補(bǔ)償導(dǎo)線與特穩(wěn)攜式校驗(yàn)儀連接,標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度與自動(dòng)測(cè)溫電橋相連,并將銅補(bǔ)償導(dǎo)線與特穩(wěn)攜式校驗(yàn)儀的補(bǔ)償導(dǎo)線一同用石英管套住封好置入恒溫槽中，恒溫槽分別設(shè)置0℃、10℃、20℃、30℃、40℃五個(gè)工況，每個(gè)工況穩(wěn)定時(shí)間不低于20min。
       T型熱電偶的溫度示值從特穩(wěn)攜式校驗(yàn)儀中讀取并記錄，標(biāo)準(zhǔn)器溫度示值從自動(dòng)測(cè)溫電橋中讀取并記錄,測(cè)量過程無異常,100℃時(shí)T型熱電偶的測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

        根據(jù)公式，實(shí)驗(yàn)室誤差=T型熱電偶測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)示值,得到表3。

       實(shí)驗(yàn)過程完全按照規(guī)程進(jìn)行,沒有出現(xiàn)異常。
5總結(jié)
       補(bǔ)償溫度為0℃、10℃、20℃、30℃、40℃五個(gè)工況時(shí)，三支T型熱電偶在100℃測(cè)量中的示值誤差均符合該等級(jí)熱電偶要求。從測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見同一支T型熱電偶測(cè)量示值誤差最大差異值為0.1℃;補(bǔ)償溫度上升,三支T型熱電偶的示值誤差無規(guī)律可尋。故即使環(huán)境溫度變化(冷端補(bǔ)償情況不同)，也不足以對(duì)工作用T型熱電偶測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。.客戶使用工作用T型熱電偶時(shí)只需要正確補(bǔ)償，可以不用考慮環(huán)境溫度的或高或低情況。