裝配式熱電偶保護(hù)套管對測量的不確定度影響

摘要:本文通過在試驗(yàn)室對裝配式熱電偶帶保護(hù)套管前后的檢定，得出了有效的數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出其保護(hù)套管對測量不確定度和誤差的影響程度，并分析了引起誤差的可能性。
1前言
       在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度類傳感器是溫度測量環(huán)節(jié)的核心部分，品種繁多。按測量方式分為接觸式和非接觸式兩大類，按測溫材質(zhì)和信號類型分為電阻式和熱電動(dòng)勢式兩大類，即我們通常所說的熱電阻和熱電偶。其中，熱電偶是應(yīng)用廣泛的測溫元件之一，因其價(jià)格低廉，測溫區(qū)間較寬，輸出信號穩(wěn)定，耐惡劣環(huán)境等因素，已經(jīng)廣泛用于電廠、生產(chǎn)企業(yè)、科研院所等部門行業(yè)。
       熱電偶因其工作原理、形狀、安裝方式等不同，分為普通熱電偶、鎧裝熱電偶、裝配式熱電偶、薄膜熱電偶等類型，其中又以鎧裝熱電偶和裝配式熱電偶常用。在實(shí)際使用中，裝配式熱電偶均帶有不銹鋼保護(hù)套管，直徑從φ4至φ16不等，若有特殊要求，則可按需:定制。熱電偶的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但在使用中仍然會(huì)出現(xiàn)各種問題，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不正確。例如:安裝位置不當(dāng)、補(bǔ)償導(dǎo)線不合格、溫度響應(yīng)速度等。本文主要通過實(shí)驗(yàn)室的熱電偶檢定設(shè)備和實(shí)際使用中的數(shù)據(jù)收集來分析與普通熱電偶相比，裝配式熱電偶的保護(hù)套管對測量的影響程度及合理的使用方法。
2試驗(yàn)原理、設(shè)備及對象
2.1試驗(yàn)原理
       熱電偶是有兩根不同導(dǎo)體(或稱電極)構(gòu)成的。這兩根導(dǎo)體--端焊接在一起，成為熱端(或稱工作端)，測溫時(shí)將此端處于被測介質(zhì)中。另一端稱為冷端(或自由端)，接入二次儀表(顯示儀表)或電測設(shè)備，如圖1所示。由于導(dǎo)體的材質(zhì)不同，熱端和冷端存在溫度差，因此回路中就有電流產(chǎn)生，形成熱.電現(xiàn)象。當(dāng)組成熱電偶的導(dǎo)體材料均勻時(shí)，其熱電勢的大小與導(dǎo)體本身的長度和直徑大小無關(guān)，只與導(dǎo)體材料的成分及兩端的溫度有關(guān)。因此，用各種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體可做成各種用途的熱電偶，以滿足不同溫度對象測量的需要。常用的熱電偶分為8種，按其導(dǎo)體所用的不同材質(zhì)以不同的字母表示為B、R、S、K、E、N、J、T型。

       檢定熱電偶時(shí)，將單支控溫?zé)犭娕?K型，I級)置于石英管中，由一端插人熱電偶檢定爐內(nèi)，熱端位置應(yīng)盡可能靠近檢定爐溫場中心點(diǎn)，該控溫偶用于對檢定爐內(nèi)溫度的精確控制。然后將標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶(S型)和被檢裝配式熱電偶(K型)從另一端插人熱電偶檢定爐內(nèi)，通過導(dǎo)線將控溫偶、標(biāo)準(zhǔn)偶、被檢偶、溫度控制器、冰點(diǎn)恒溫器、低電勢掃描開關(guān)、數(shù)字多用表等設(shè)備連接起來，記錄t溫度時(shí)的測量熱電動(dòng)勢，采用直接比較法進(jìn)行誤差分析和判斷，從而得出檢定結(jié)果。系統(tǒng)接線如圖2所示。

2.2試驗(yàn)設(shè)備
       本次試驗(yàn)采用的設(shè)備見表1。

2.3試驗(yàn)對象
       本次試驗(yàn)采用K型裝配式熱電偶，型號為WRN2-230,精度等級I級，保護(hù)套管長度150mm。本型號的裝配式熱電偶保護(hù)套管材質(zhì)為不銹鋼，外徑φ16，內(nèi)徑φ12，內(nèi)部熱電偶絲直徑1.6mm。
3試驗(yàn)過程
       連接好各設(shè)備后，將熱電偶檢定爐.溫度升高到400℃，穩(wěn)定1小時(shí)后，分別記錄標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和帶套管的被檢熱電偶熱電動(dòng)勢，然后將被檢熱電偶絲移出保護(hù)套管，插人熱電偶檢定爐內(nèi)，穩(wěn)定0.5h后，分別記錄標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和不帶套管的被檢熱電偶熱電動(dòng)勢，該溫度點(diǎn)用以上方法連續(xù)測量8組。在檢定溫度為500℃和600℃時(shí)按以上過程試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。400℃時(shí)所記數(shù)據(jù)見表2。

 

       在試驗(yàn)過程中需要注意:(1)在操作過程中應(yīng)盡可能不碰觸標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電測回路，以免引起對回路中熱電勢的干擾，造成測量信號的較大波動(dòng)。(2)被檢熱電偶在去除保護(hù)套管前后，在熱電偶檢定爐中的位置應(yīng)滿足軸向?qū)ΨQ，.以便盡可保證相同的溫場。(3)每次間隔測量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶在檢定爐中的位置須恒定不變，即相同的插人位置和插人深度。(4)使用相同的設(shè)備和連接導(dǎo)線。(5)保持試驗(yàn)過程中環(huán)境溫度和濕度在規(guī)程允許的范圍內(nèi)。
4測量的不確定度和誤差分析
4.1測量的不確定度分析
4.1.1測量模型
       熱電偶在400℃時(shí)的熱電動(dòng)勢誤差計(jì)算公式:

式中:
Δe--被校熱電偶電勢誤差(mV);
`e被、`e標(biāo)一被校和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某點(diǎn)測得的熱電勢平均值(mV);
e標(biāo)一標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書給出的某點(diǎn)溫度的電勢值(mV);
e分-被校熱電偶分度表給出的某點(diǎn)溫度的電勢值(mV);
S被、S標(biāo)一被校和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某點(diǎn)溫度的微分熱電勢率(mV)。
由于△t=△e/微分熱電動(dòng)勢，為便于分析，將(1)式同除以S被，改寫為:

△t=△t1-△t2(2)
式中:
△t-被檢熱電偶溫度的誤差;
△t1--被檢熱電偶偏離分度點(diǎn)的溫度誤差;
△t2-標(biāo)準(zhǔn)熱電偶偏離分度點(diǎn)的溫度誤差。
本次試驗(yàn)中，上--級計(jì)量檢定測試單位已經(jīng)通過證書給出了S型標(biāo)準(zhǔn)偶的最大不確定度U=0.2℃(k=2)。
本次試驗(yàn)中，影響被測偶的誤差的測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表3，由A類不確定度分量和B類不確定度分量組成。
4.1.2帶保護(hù)套管時(shí)的被檢熱電偶不確定度分析
(1)由多次測量的重復(fù)性引人的不確定度分量u1A
       根據(jù)400℃時(shí)的8次重復(fù)性試驗(yàn)，`e=16.42009℃，K型熱電偶在400℃時(shí)的微分熱電動(dòng)勢值為42.24μV/℃，則u1A為:

(2)由精密控溫儀誤差引人的不確.定度分量u)Bi.
       根據(jù)精密控溫儀的檢定證書，其測量的擴(kuò)展不確定度U=1℃，k=2，則由精密控溫儀誤差引起的不確定度分量u1B1為:

(3)由過程信號校準(zhǔn)儀誤差引人的不確定度分量u1B2
       根據(jù)過程信號校準(zhǔn)儀的說明書，在直流電壓為100mV時(shí)的誤差限為0.01%+0.005mV，K型熱電偶在400℃時(shí)的電勢為16.395mV,相應(yīng)的電量值--溫度變化率為42.24μV/℃，則對應(yīng)的電勢誤差限和溫度誤差限為:

       在區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，故由過程信號校準(zhǔn)儀誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1B2為:

(4)由熱電偶冷端溫度補(bǔ)償引人的不確定度分量u183
       根據(jù)冰點(diǎn)恒溫器使用說明，其精度等級為0℃±0.05℃，服從均勻分布，則不確定度分量u1B2為:

(5)由補(bǔ)償導(dǎo)線修正值引人的不確定度分量u1p4
        經(jīng)測量得出，補(bǔ)償導(dǎo)線在20℃時(shí)的最大誤差為0.138℃，服從均勻分布，則不確定度分量為:

(6)由校驗(yàn)熱電偶的誤差引人的不確定度分量u1B5
已知校驗(yàn)偶的最大不確定度U=0.2C
(k=2)，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1B4為:

4.1.3去除保護(hù)套管后的被檢熱電偶不確定度分析
       由于其主要的不確定度分量與帶保護(hù)套管時(shí)的不確定度分量相同，運(yùn)用以上相同的算法和計(jì)算公式可以得出各分量的不確定度、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度、相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度，具體結(jié)果列人表4。

       可見在計(jì)算不確定度方面，對于裝配式K型熱電偶而言，保護(hù)套管對其的影響僅僅體現(xiàn)在A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度上的變化，但由于在合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度時(shí)所占比例很小，在不確定度分析時(shí)可以忽略。
4.2誤差分析
       由公式(2)計(jì)算帶保護(hù)套管時(shí)的被檢熱電偶溫度的誤差。

則帶保護(hù)套管時(shí)的被檢熱電偶溫度的誤差△t為:
△t=△t1-△t2=0.592-0.120=0.472℃
由公式(2)計(jì)算去除保護(hù)套管后的被檢熱電偶溫度的誤差。

       可見去除保護(hù)套管后，熱電偶的誤差變大。
4.3誤差變化的可能因素
4.3.1響應(yīng)時(shí)間的影響
        接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達(dá)到熱平衡。因此，在測溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才能使兩者達(dá)到熱平衡。而保持時(shí)間的長短，同測溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量條件,差別極大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30min以上才能達(dá)到平衡。測溫元件熱響應(yīng)誤差可通過公式
(3)確定。

       由公式(4)可以看出，響應(yīng)誤差與時(shí)間常數(shù)τ成正比。如果在400C點(diǎn)的恒溫時(shí)間不夠，達(dá)不到熱平衡，就容易發(fā)生誤判。
        試驗(yàn)表明，裝配式熱電偶在檢定爐內(nèi)溫度上升到tC，從而達(dá)到熱平衡，比去除保護(hù)套管后達(dá)到熱平衡需要等待更多的時(shí)間，一般在1h左右。另外，其熱電動(dòng)勢在熱平衡點(diǎn)附近上下波動(dòng)的范圍也更大。
4.3.2熱輻射的影響
        插人爐內(nèi)用于測溫的熱電偶，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內(nèi)氣體是透明的，而且熱電偶與爐璧的溫差較大時(shí)，將因能量交換而產(chǎn)生測溫誤差。在單位時(shí)間內(nèi)，兩者交換的輻射能為j，可用公式(5)表示:

       因此，為了減少熱輻射誤差，應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使?fàn)t壁溫度T,盡可能接近熱電偶的溫度T。另外，在安裝時(shí)還應(yīng)注意:熱電偶安裝位置應(yīng)盡可能避開從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面;熱電偶帶有熱輻射遮蔽套。
結(jié)語
       裝配式熱電偶是科研、生產(chǎn)過程中常用的溫度測量元件之一，其外圍的保護(hù)套管雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是在使用中仍然會(huì)產(chǎn)生--部分測量誤差。經(jīng)過試驗(yàn)證明，其產(chǎn)生的誤差在進(jìn)行不確定度評定時(shí)影響很小，誤差在合理范圍之內(nèi)，并不影響一般使用。但是對于測量精度要求較高的場合，還應(yīng)該進(jìn)行必要的驗(yàn)證工作，給出修正值作為參考。