分度热电偶时参考端温度对测量结果的影响研究

2015-06-09罗小萍

计量技术 2015年1期

关键词：铂电阻分度示值

罗小萍

(湖北省计量测试技术研究院，武汉 430071)

分度热电偶时参考端温度对测量结果的影响研究

罗小萍

(湖北省计量测试技术研究院，武汉 430071)

针对校准实验室在进行工作用热电偶量值传递时，对于热电偶参考端处于不同温度下的测量结果进行了比对，通过热电偶测温定律和实验数据分析了热电偶参考端处于非0℃时的检测结果复现偏差的大小以及产生的内在原因，并提出了偏差大小对检测结果的准确性影响。

热电偶；量值传递；参考端；复现性

0 引言

热电偶是工业生产中应用最广泛的测温传感器，在进行温度测量时,热电偶的输出电势是其测量端和参考端两端温度的函数，那么在对热电偶进行检定/校准时，不仅要使热电偶的测量端处于稳定、均匀的温场中，对其参考端温度的控制也是保证测量精度的重要技术环节。国际电工委员会发布的热电偶分度表，其参考端温度均为0℃,故通常情况下对热电偶进行检定/校准时，其参考端均放置在0℃恒温器中。但有时出于某些特殊原因(如热电偶结构或检测条件等因素的影响)热电偶参考端不便于放置在0℃而处于室温下，这时我们一般采取热电偶参考端温度补偿的方法进行温度补偿，此方法是基于热电偶的中间温度定律，目前绝大多数热电偶自动检测装置均设置有参考端自动补偿功能，理论上讲以上两种参考端温度设置方式对热电偶的测量结果应该是一致的，而实际测量结果会不会有所偏差？偏差的大小对于被测对象的准确度来说是否可接受？本文将通过实验数据比较不同参考端温度下分度热电偶时的复现误差，并对其影响因素进行分析研究。

1 实验方案

为便于控制影响热电偶检测结果的其他影响因素，被测对象选择带延长线的铠装热电偶，选用稳定性和均匀性较好的干体炉做热源，热电偶在干体炉中不易发生位置变动从而避免因检定炉温场波动和不均匀性导致的重复性误差。热电偶参考端放置在稳定性和均匀性较好的恒温液槽中，测量端与参考端温度的标定均选用准确度较高的精密铂电阻温度计。

1.1 实验用热电偶

选择规格为Φ3mm×1200mm的K、J、E分度号铠装热电偶各1支，Φ3mm×2000mm的T分度号铠装热电偶2支，其中J、E分度号热电偶为新制热电偶，K、T分度号热电偶为使用中的热电偶。

1.2 测量设备技术参数

测量设备技术参数如表1所示。

表1 测量设备技术参数

1.3 实验温度的选择

K型、E型、J型热电偶实验温度选择在200℃、400℃、600℃，热电偶参考端分别置于0℃、25℃、50℃温度下进行测量；T型热电偶实验温度选择在100℃、200℃、300℃，热电偶参考端也分别置于0℃、25℃、50℃温度下进行测量。

2 测量过程

如图1所示，将被测热电偶测量端和精密铂电阻温度计1置于干体炉底部，干体炉升温至200℃，

1.精密铂电阻1；2.热电偶；3.精密铂电阻2；4.恒温液槽；5.置换开关；6.温度校验仪；7.干体炉图1 热电偶检测装置

将另一支精密铂电阻温度计2与被测热电偶的参考端置于0℃恒温液槽中(铂电阻温度计2用于测量参考端温度)，并分别连接至转换开关及温度校验仪，待炉温稳定后，读取铂电阻温度计1和每支热电偶测量数据。保持干体炉温度不变，将铂电阻温度计2与被测热电偶的参考端取出置于25℃恒温液槽中，保持30min以上待热电偶示值稳定后，读取铂电阻温度计1和每支热电偶测量数据(包括读取铂电阻温度计2的值并进行补偿)。同样保持干体炉温度不变，将铂电阻温度计2与被测热电偶的参考端取出置于50℃恒温液槽中，保持30min以上待热电偶示值稳定后，读取铂电阻温度计1和每支热电偶测量数据。

按上述同样步骤，分别将干体炉升至400℃和600℃，分别测量热电偶参考端处于0℃、25℃、50℃时的示值，最终计算出每支热电偶在各测量温度、不同参考端温度下的示值误差。

3 不同参考端温度下热电偶量值复现结果比较

计算得出3支K型、E型、J型热电偶在各实验温度点和不同参考端温度下的示值误差见表2。2支T型热电偶在各检测点的示值误差见表3。

表2 不同参考端温度下的示值误差 ℃

表3 不同参考端温度下的示值误差 ℃

注：给出的实验数据均为两次测量结果的平均值。按置信概率95%评估上述实验方法带来的测量结果不确定度约为0.1℃。

以上数据可以看出，当热电偶测量端温度不变时，热电偶参考端温度处于25℃和50℃时运用参考端温度补偿方法得到的示值误差与参考端温度处于0℃得到的示值误差均有所不同，复现偏差大小统计见表4、表5。

表4 热电偶参考端温度处于非零度时的复现偏差 ℃

表5 热电偶参考端温度处于非零度时的复现偏差 ℃

4 热电偶量值复现偏差分析

从表4、表5数据，我们发现从纵向来看偏差的数值大小很接近，小于±0.1℃，具有一定的规律，原因分析如下：

我们知道，应用热电偶参考端温度补偿的方法进行热电偶量值传递是基于热电偶的中间温度定律，其理论公式如下：

E(T，Tn，0℃)=E(T，Tn)+E(Tn，0℃)

(1)

式中:E(T，Tn，0℃)表示热电偶在两端温度为(T，0℃)时的输出热电势；E(T，Tn)表示热电偶在两端温度为(T，Tn)时的输出热电势；E(Tn，0℃)表示热电偶在两端温度为(Tn，0℃)时的输出热电势。

分度热电偶时，当参考端温度为Tn，我们运用式(1)进行参考端温度补偿时加上的E(Tn，0℃)是通过查分度表而得到的值，亦即E(Tn，0℃)只与分度号及Tn有关，未考虑到热电偶的分散性，而实际上每支热电偶在(Tn，0℃)温度段的输出热电势值并不相同，亦即热电偶在(Tn，0℃)温度段的实际误差值没有考虑进去，当此项误差值较大时，采用参考端补偿法进行量传就会带来较大偏差。

根据以上分析，我们将上述实验用的各支热电偶在25℃和50℃进行了误差测量，测量时参考端温度为0℃，测量结果如表6所示。

表6 热电偶在25℃和50℃时的测量误差 ℃

以上数据表明每支热电偶在Tn温度下均有各自的热电特性，K型热电偶的误差较大，说明其均匀性较差，而E、T1、T2三支热电偶误差较小，其均匀性较好。

我们将表4、表5热电偶参考端温度处于25℃和50℃时与参考端温度处于0℃时的复现偏差与表6热电偶在25℃和50℃的示值误差进行综合比较可以看出：表4、表5列出的复现偏差值和表6中热电偶在25℃和50℃的示值误差密切相关。如K型热电偶，其25℃的误差约为-1.1℃，即热电偶在25℃时的实际输出电势值比分度表的值小，而我们补偿时是按分度表的值补偿进去的，亦即补偿值被人为地增大了1.1℃，使得测量结果也偏大，表4中K型热电偶在200℃、400℃、600℃参考端温度处于25℃时复现偏差为+1.1℃、+1.1℃、+1.0℃(保留1位小数)，即由于忽略了热电偶在参考端温度下的输出值的误差，从而导致了复现偏差。偏差大小与忽略了的热电偶误差大小非常接近，方向相反。而E型热电偶和2支T型热电偶在25℃和50℃的测量误差均较小，那么在表4、表5中我们看到E型和2支T型热电偶用参考端温度补偿法测量带来的复现偏差值也较小。