ConST680智能温度自动检定系统在热电偶检定领域的应用

摘要：ConST680智能温度自动检定系统是集计算机技术、电子技术、自动测试技术于一体的自动化温度检定装置，可以实现超高效率并行多任务管理，布线简便，可以快速实现被检传感器接线;配备专业智能多通道精密测温仪，兼容多厂家恒温装置，支持用户低成本升级改造;提供最简洁的系统组网方式，现场没有大把的通信线、电源线、测试线，使整个实验室非常整洁。现主要介绍该系统的组成及工作原理、校准/检定步骤、不确定度评定以及系统的优势。

关键词：工作原理;步骤;校准;检定;不确定度评定

中图分类号：TH811    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）11-0005-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.002

0    引言

在工业生产过程中，为了能够准确测量各个工艺点的实时温度，必须使用测温传感器来进行温度的测定，而热电偶则是较为常见、使用率较高的一种测温传感器。热电偶传感器有多种优势，如测温准确率高、测量范围大、价格相对便宜、使用成本低等[1]。以往热电偶的检定或校准需要人工进行辅助操作，比如在进行数据收集处理时，必须由人工来完成，而人工的参与往往会导致检定时间较长，出错率较高，检定效率较低。ConST680智能温度自动检定系统是一种能够进行自动检定的装置，该装置不仅能够满足工业热电偶检定的需求，还可以极大程度降低人工操作出现问题的概率，具有多重优点。

1    系统组成及工作原理

ConST680智能温度自动检定系统作为一种现代化、自动化的工业装置，涉及多种现代科学技术，比如计算机技术、电子技术等。如图1所示，整个系统以计算机为主体，由智能多通道精密测温仪、多通道信号扫描装置、恒温炉、专用软件等组成。系统采用双极比较法进行检定/校准，将标准偶和被检偶用镍铬丝进行捆绑后放入检定炉内[1]，用计算机对恒温炉进行炉温控制，使炉温达到检定温度点附近后，保温一定时间，使热电偶充分烧透达到平衡。智能多通道精密测温仪按照检定规程要求按顺序读取多通道信号扫描装置各个通道的数据，然后对数据进行自动计算，对原始记录进行存档并生成检定证书。

2    检定步骤

2.1    捆扎

用镍铬丝将刚玉保护管捆扎在被检偶的中间位置，确保每一个测量端都处于同一平面，确保标准热电偶周围均匀分布着被检热电偶，再把标准偶插入刚玉保护管内。

2.2    开启硬件及装炉

打开检定炉、精密测温仪开关，检定前要先预热0.5 h以上。将热电偶束放入检定炉之前，先在炉外布置好固定支架，把捆扎好的热电偶束放在固定支架上，再将热电偶插入到检定炉指定深度，注意在位置调整的过程中，一定要确保热电偶束与炉壁不接触，完成后用石棉封住炉口。

2.3    参考端的处理

本系统使用的是参考端温度自动补偿方式，将热电偶的参考端正负极与配套的铜导线对接并插入多通道信号扫描装置对应的接口。系统将自动从多通道信号扫描装置内置的温度传感器中读取数据作为参考端温度，然后根据检定规程进行数据处理。

2.4    启动软件设置参数

开始启动系统软件，进行用户登录后，进入系统操作界面的人机交互操作系统。点击首页的“检校中心”，选择“温度检校” “新建检校任务”。在弹出的窗口中录入被检偶的基本信息，如分度号、等级、偶丝直径、送检单位、生产厂商、送检日期、有效日期等，如图2所示，录入完成后点击“保存”，如需继续添加，重复如上步骤。选择检校方案后点击“开始检校”，如图3所示，进入检校界面，首先点击“通道配置”，按照自身接线的通道进行设置，如图4所示。设置完成后点击“保存”，然后点击“开始测试”，系统进入自动检定状态。

2.5    观察检定过程

系统进入自动检定状态后，进入升温曲线图画面，在根据国家相关文件要求的检定规程设计完成本系统的采样顺序之后，循环4次取平均值作为最终结果，如图5所示。所有设定点检定完成后，数据会自动保存。在数据中心可进行数据检查处理、预览、打印、导出等操作。

3    不确定度评定与分析

3.1    数学模型

使用该检定系统，用一支一等标准铂铑10-铂标准热电偶作为标准器对工作用热电偶进行检定，其不确定度分析采用下式[2]：

e被（t）=被（t）+S被（t）+e补

式中：e被（t）为被校热电偶在某校准温度点上的热电动势;e被（t）为被校热电偶在某校准点附近测得的热电动势的平均值;e标证为标准热电偶证书上某温度点的热电动势;e标（t）为标准热电偶在某校准点附近测得的热电动势算术平均值;S标（t）、S被（t）分别为标准热电偶、被校热电偶在某校准温度点的微分热电动势;e补为补偿导线修正值。

3.2    不确定度传播公式

测量模型中各个输入量的不确定度相互独立，根据不确定度传播律[2]：

uc 2=[c1u（e被）]2+[c2u（e标证）]2+[c3u（e标）]2+[c4u（e补）]2

其中，灵敏系数c1==1;c2==;c3==-;c4==1。

3.3    标准不确定度评定

3.3.1    输入量e被（t）的标准不确定度u（e被）的评定

输入量e被的标准不确定度u（e被），来源于被测热电偶测量重复性、电测仪器测量误差、炉内温场的不均匀、转换开关寄生电势以及热电偶参考端温度不为0 ℃引入的不确定度[2]。

3.3.1.1    被测热电偶测量重复性引入的标准不确定度u1

采用A类方法进行评定，用标准偶对被校廉金属热电偶（K型）在400 ℃共进行6组独立重复测量。

sp1==0.75 μV

实际测量以4次测量平均值作为测量结果，故u1=sp1/≈0.38 μV。

为降低工作量，可以仅对400 ℃点进行重复测量，之所以能够通过这种方式降低工作量，是因为不管是在哪一个温度点，被测偶的重复情况都是大致相同的，没有必要对每一个温度点都进行重复测量。

3.3.1.2    电测仪器引入的标准不确定度u2

电测仪器采用智能多通道精密测温仪，其测量值误差为±（9 ppm FS+36 ppm RD），在区间内认为均匀分布，包含因子k=，以400、600、800 ℃为例计算，不确定度分别为0.85、1.03、1.21 μV。

3.3.1.3    炉内温场不均匀引入的标准不确定度u3

采用B类方法进行评定。根据规程要求，在检定过程中炉温温差小于0.5 ℃，相当于21.12 μV（400 ℃），按均匀分布考虑，包含因子k=，取半宽为10.56 μV，故标准不确定度为：

u3=10.56/≈6.10 μV

3.3.1.4    转换开关寄生电势引入的标准不确定度u4

转换开关测量回路寄生热电势最大不超过0.5 μV，取其半宽区间，按均匀分布考虑：

u4=0.5/≈0.29 μV

3.3.1.5    参考端温差引入的标准不确定度u5

经测量，被校热电偶参考端不为0 ℃带来的误差不超过±4 μV（相当于±0.1 ℃），均匀分布，k=，则：

u5=4/≈2.31 μV

因此，输入量e被的标准不确定度u（e被）合成为：

u（e被）=

以400、600、800 ℃为例计算，不确定度分别为6.59、6.62、6.65 μV。

3.3.2    输入量e标证带来的标准不确定度u（e标证）的评定

u（e标证）来源于一等标准热电偶分度值的不确定度及其年不稳定性，采用B类方法进行评定[3]。

以400、600、800 ℃为例，经分析得出不确定度分别为2.4、2.5、2.9 μV。

3.3.3    输入量e标（t）的标准不确定度u（e标）的评定

输入量e标的标准不确定度u（e标），来源于标准热电偶测量重复性u（e标1）、电测仪器测量误差u（e标2）、转换开关寄生电势u（e标3）、热电偶参考端温度不为0 ℃引入的不确定度u（e标4）。

u（e标）=

以400、600、800 ℃为例计算，参照3.3.1的评定方法得出不确定度分别为0.77、0.80、0.83 μV。

3.3.4    补偿导线引入的不确定度u（e补）

经测量，K型补偿导线在30 ℃时，误差为±0.2 ℃，按均匀分布考虑，包含因子k=，半宽度为7.89 μV，则标准不确定度为：

u（e补）=7.89/≈4.6 μV

系统不确定度来源较多，包括但不限于电测仪器自身的误差、补偿导线及热电偶参考端温度不为0 ℃引入的不确定度，具体如表1所示。

经分析，上述四项不确定度相互独立，故合成标准不确定度uc 2=[c1u（e被）]2+[c2u（e标证）]2+[c3u（e标）]2+[c4u（e补）]2及扩展不确定度U（k=2）具体如表2所示。

分析结果满足JJF 1637—2017《廉金属热电偶校准规范》[2]、JJG 141—2013《工作用贵金属热电偶》[3]的要求，可以开展检定校准工作。

4    系统优势

1）配备ConST685专业的测温仪，相对传统的电学仪表ConST685更加侧重精密温度测量特性，原生支持恒流源换向、正反信号测量、内置热电偶冷端补偿。采用一指按压端子连接技术，无须任何工具，快速完成香蕉插头、裸线、铲形插片、MiniTC等各种形式的温度传感器接线。

2）ACal检定/校准系统软件是一款专业检定、校准软件，支持在网络环境下运行，多用户协同工作;该软件的相关内容都是符合国家标准的，界面简洁，操作风格统一，支持触控操作，学习成本低，让检定人员能快速上手开始计量工作。

3）智能精密检定炉配置了安全、高效的电加热装置，采用了气隙隔热技术，使检定炉具备极佳的温场稳定性和均匀性;采用高性能智能温控仪，使控温准确度、分辨率大幅提高。一体化热电偶装炉定位装置使被检偶无须捆扎就能快速夹紧，炉体快速滑动，标尺对位，均热块卡嵌固定，极大地提高了校准与检定的效率。

4）恒温源设备均具有三重高温热失控保护能力：V0阻燃等级、软件超温保护、独立的硬件超温房补。整个系统的多重保护机制让温度实验室更加安全、可靠，可避免高温热失控。

5）所有设备均具备TFT触摸屏，操作简单便捷，支持一键U盘升级，存储容量大，通信接口丰富。

5    结束语

ConST680智能温度检定系统具有非常多的优点，比如自动检定，自动收集、处理、保存数据等，除了以上优点，相较于传统的人工操作系统来说，ConST680智能温度检定系统提升了工作效率和准确度，避免了人为误差，并减轻了检定人员的劳动强度，可广泛应用于计量、电力、石油、冶金、化工等部门。

[参考文献]

[1] 旋石婵，杨艳，郑自成.CIMM-TCM-6热电偶自动检定系统在韶钢的应用[J].科技视界，2013（10）：71.

[2] 廉金属热电偶校准规范：JJF 1637—2017[S].

[3] 工作用贵金属热电偶：JJG 141—2013[S].

收稿日期：2024-02-04

作者简介：苏清楠（1990—），男，福建泉州人，冶金自动化助理工程师，从事计量仪器的检定和校准工作。